基于dSPACE的双闭环直流调速系统.pdf

第2 9 卷第5 期太原科技大学学报 V 0 1 2 9N o 5 2 0 0 8 年1O 月 J O U R N A LO F I A I Y U A NU N I V E R S l 7 I YO FS C I E N C EA N DT E C H N O L O G Y O c t 2 0 0 8 文章编号 1 6 7 3 2 0 5 7 2 0 0 8 0 5 0 3 6 3 0 3 基于d S P A C E 的双闭环直流调速系统 庞启洋 邵雪卷 张井岗 太原科技大学 太原0 3 0 0 2 4 摘要 s P A c E 是一个基于M A T L A B s i m I l l i n k 半实物仿真系统开发的软硬件工作平台 具有实时 性强 可靠性高等优点 文章以直流电动机为研究对象 采用d s P A c ED s l l 0 3 单板系统对双闭环直流 调速系统进行在线仿真研究 实现了双闭环直流调速系统的P I D 控制 且其控制参数可以在线调节 实 验结果表明 采用该方法可以获得良好的控制效果 关键词 双闭环直流调速 在线仿真 d S P A C E 中图分类号 0 2 3 l 文献标识码 A 1d S P A C E 简介 d s P A C E 实时仿真系统是德国d S P A C E 公司开 发的一套基于M A T L A B S i m u l i n k 的控制系统开发 和测试平台 实现了和M A I I A B S i m u l i n k 的无缝连 接 d s P A c E 系统由软件和硬件两部分组成 两部 分相互协作 实现了d S P A C E 实时仿真系统的一系 列强大功能 为控制系统的开发和测试提供了一个 集成的开发平台和图形化的实验环境 d S P A C E 采用P o w e r P c 作为主处理器 M t e r P P c 提供了用于模 数转换的A D C 模块 用于数 模转换的D A c 模块 数字L O 接口 u A R T 接口 c A N 总线接口 编码器接口 P W M 部件等 d S P A c E 实时仿真系统的硬件系统具有高速计算能 力和丰富的I O 资源 为实时在线仿真提供了必要 的支持 d S P A C E 实时仿真系统的软件系统从功能上可 分为两部分 一部分是代码生成和下载软件肌 R e a l T i m eI n t e r l a c e 另一部分是测试软件 包括 实验与测试集成环境C o n t r o l D e s k 自动试验及参数 调整软件M U B M T R A C E P C 与实时处理器通信软 件C u B 实时动画软件R e a l M o t i o n 等 2 双闭环直流调速系统工作原理 根据控制理论中要稳定哪个量就引入该量的 负反馈进行控制的原理 直流调速要引入一个转速 负反馈来稳定转速 只引入转速反馈的调速系统 虽然能稳定转速 抵抗负载扰动对转速的影响 但 无法对电流进行控制 为了充分利用电机的过载 图l转速 电流双闭环直流调速系统原理圈 n g 1S y 咖m 面舯朋廿蚰0 fd u m d 璐e d I p s p e e d n 仃 s y s t e ml 打D C 能力 使电机保持最大加速启动 需要使电机在启 动时电枢电流保持在电机允许的最大电流值上 同 时 当电机全压启动或堵转时 电机中的电枢电流很 大 往往超过了电机的最大允许电流 为了不损坏电 机 需要对电流加以限制 由此 引入电流环来对电 收稿日期 2 0 0 7 1 l 3 0 作者简介 庞启洋 1 9 8 l 一 男 硕士 主要研究方向为先进控制与应用 太原科技大学学报2 0 0 8 年 流进行控制 这就构成了转速 电流双闭环调速系统 双闭环直流调速系统原理图如图l 所示 图中速度调节器A S R 和电流调节器A C R 是串 级连接 速度调节器A S R 的输出是电流调节器A C R 的输人 电流调节器A C R 的输出控制电力电子变换 器 从闭环结构上看 转速环在外环 电流环在内 环 双闭环系统设计的原则是先内环后外环 即先 设计电流调节器 然后把整个电流环当作速度调节 器的一个环节 再设计速度调节器 电流环的主要 作用是保证起动过程中电流保持一段时间最大和 在动态过程中不超过允许值 因此希望在突加控制 作用时没有超调或超调很小 所以把电流环校正成 典型I 型系统 为了实现转速无静差和提高系统的 抗干扰性能 速度环校正成典型I I 型系统 一般情 况下 A S R 和A C R 都采用P I 调节器 调速系统突加给定信号由静止状态起动时 由 于速度调节器经历了不饱和 饱和和退饱和三个阶 段 整个过渡过程也就分三个阶段 第一个阶段是 电流上升阶段 突加给定信号后 在两个调节器的 作用下 当电枢电流大于负载电流时 电机开始运 转 由于机电惯性的作用 转速不会很快增长 因而 A S R 很快达到饱和 强迫电枢电流迅速上升 直到 达到最大电流值 第二阶段是恒流升速阶段 此 阶段是起动过程的主要阶段 在这个阶段A S R 一直 处于饱和状态 转速环相当于开环 电流保持恒定 转速呈线性增长 直到转速达到给定转速 第三个 阶段是转速调节阶段 转速达到给定转速后 由于 积分作用使得调节器输出仍维持在限幅值 电机仍 在加速 使转速超调 从而使转速调节器退出饱和 一直到转速稳定 在最后的调节阶段 A S R 和A C R 都不饱和 3双闭环调速的d S P A C E 在线仿真实验 在d s P A c E 系统上实现直流电机双闭环调速的 在线仿真流程如下 首先 提出控制策略 用模块框 图实现控制器 双闭环调速系统由两个P I 调节器 串级实现 这是一个十分成熟的控制方案 可以很 方便地在M A T L A B s i m u l i n k 平台上实现 和离线仿 真不同的是 本文中使用了肌提供的I O 模块 用 三个A D C 通道来采集给定信号 转速反馈信号和电 流反馈信号 用一个D A C 通道输出控制信号 不需 要对控制对象进行数学建模 大大减少了开发的工 作量 避免了建模精度对控制效果的影响 其次 通过R T w 提供的 B u i l d 命令 把控制框图编译 下 载到d S P A C E 的硬件上 整个过程由软件自动进行 无须人工干预 最后 使用d s P A C E 的综合实验环 境C o n 呐l D e s k 对实验进行管理 利用C o n 仃o l D e s k 提供的功能可以实现参数的在线修改和信号参数 的图形化显示 双闭环直流调速系统的d S P A C E 实 现的控制模块框图如图2 所示 也竺H 盘 引 n H 盘 卜肚竺 叫例 D s l l 0 3 M u A D c c o N 2 1 h m s f e rF c n I X 写百一T r a n s f e rF c n 3I A c R D s l l 0 3D A c c 5 M u xA o c H d b 卜Jf M u xA o c H 志 D s I1 0 3 M U X A D C c O N l r r 柚s f e rF c n l D s l1 0 3 M U A D c C O N 47 I h n s f e rF c I l 2 图2 双闭环直流调速系统的抠P A C E 实现模块框图 n g 2R 朗I i 盟廿加b I o c I m a g n ma d a p t i I 喀t d s P A C Ef 打d u 叫 c I 惦e d I ps p e 甜 n t r o ls y s 蛔咂 本文采用d S P A C E1 1 0 3 系统 该系统具有2 0 0 5 1 4N m 2 晶闸管整流装置放大倍数蚝 1 5 路A D 和8 路D A 通道 有很强的处理能力 通过电动机电势系数e 0 1 2 lV m i n r 转矩常数c 计算机主板上的I s A 插槽与计算机相连 可以很方 1 1 5 6V m i n r 主电路的电磁时间常数E 0 便地进行信号连线 实验中所使用的电机型号为 0 1 88 系统的机电时间常数L 0 2 5s 电流反馈 D J l 5 的直流他励电动机 其主要参数 额定电流1 2 A 额定转速l6 0 0r m i n 额定电压2 2 0V 额定容量 1 8 5w 额定励磁电流 o 1 3A 励磁电压2 2 0 V 通过实验测量计算可得电枢回路总电阻尺 3 0 0 6Q 电枢回路总电感 5 3 2m H 飞轮惯量G D 2 系数p 4 8v A 转速反馈系数口 警 毒未 O 0 0 35V r m i n 根据所测的电机参数 按工程设计方法设计出 的A s R 和A C R 分别为 第2 9 卷第5 期庞启洋 等 基于d S P A C E 的双闭环直流调速系统 3 6 5 孵衄 唑炒 1 睨 型 2 由于存在测量误差 因此按工程设计方法设计 出的调节器控制效果往往不是很好 为了得到良好 的控制效果 需要对控制器参数进行整定 d s P A c E 的在线调节参数功能很好解决了传统数字控制器 修改参数不便的问题 对控制器的S i m u l i n k 模块框 图进行编译 下载后利用d S P A C E 的实验软件C o n t m l D e s k 可以观测到控制器的实际控制效果 根据 观测到的电机转速和电流波形 结合控制知识 利 用C o n 咖l D e s k 的在线调参功能 对电流环A C R 和 转速环A s R 的参数进行调节 得到转速调节器A S R 和电流调节器A c R 取如下参数 2 兰盟 3 矾傩 掣 4 鞫盆 产南 时电机的电流 转速波形效果较好 图3 图4 给出 了在这组参数下带载启动 然后去负载时的电流 转速波形 簿L 二二二二二 谪 o123 45 瓣 时问 秒 图4 双闭环调速系统的启动转速波形 F i g 4S p e e d 懈咖辩啪v e f 0 珊o f d 咂I c 1 0 s e d l ps p e e d 咖t m ls y s t e m 从图3 图4 中可以看出 实验获得的电流 转 速波形和理想的双闭环直流调速的波形十分接近 表明基于d S P A C E 平台的双闭环直流调速具有很好 的控制效果 4结论 d S P A C E 实时仿真系统为控制开发人员提供了 一个集成的开发环境和测试平台 它直接针对控制 对象而不是其数学模型 避免了由于建模误差引起 的对控制效果的影响 不用关注底层的L O 实现细 节 减轻了开发人员的工作量 在线仿真功能 参数 和变量的图形化显示功能和在线修改参数功能对 控制器参数的调整提供了有力的支持 大大提高了 工作效率 缩短了开发周期 提高了控制效果 在 线仿真结果表明 基于d S P A C E 平台的双闭环直流 调速具有很好的控制效果 参考文献 1 周平 江俊 纪志成 基于d S P A c E 的永磁同步电机转子位置和速度估计方法 J 中小型电机 2 0 0 5 3 2 6 3 5 3 9 2 马培蓓 吴进华 等 d s P A c E 实时仿真平台软件环境及应用 J 系统仿真学报 2 0 0 4 1 6 4 6 6 7 J 6 7 0 3 陈启军 王月娟 陈堂辉 基于d s P A c E 并行处理平台的机器人实时仿真系统结构及实现 J 机器人 加0 3 2 5 1 6 2 1 6 5 4 陈伯时 电力拖动自动控制系统 运动控制系统 第三版 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 3 5 恒润科技 基于w i n d o w s 平台的实时快速原型及半实物仿真的一体化解决途径 z 恒润科技公司 2 0 0 1 D u a l c l o s e d l o o pS p e e dC o n t r o lS y s t e mf o rD C B a s e do nd S P A C E P A N GQ i y a n g S H A oX u e j u a n Z H A N GJ i n g g a n g T a i y u 明U n i v e r s i t y0 fs c i e n c ea n dT e c h n o l o g y T a i 锄0 3 0 0 2 4 C h i 眦 A b s t r a c t T h ed S P A C Ei sas o f h a r ea n dh a r d w a r ep l a o r mf o rt h er e a l t i m ec o n t m ls y s t e mb 硝e do nt h eM a t l a 上 s i m u l i n k I th 鹪t h ee x c e l l e n tr e a l t i m ea n dt l I eh i g hr e l i a b i l i t y T h i sp a p e ra j m sa t 托a 1 t i m es i m u l a t i o nf o rd u a l c l o d l o o pD Cm o t o r 而t l ld S P A C Es i n g l eb o a r ds y s t e mD S l1 0 3 A p 咖n e t e 璃c 蛐b e to ra d j u s t e dt h r o u g h C o n t m lD e s k 粕da ui n p u t 明do u t p u tc h 卸g e sc 明b es h o w T lb yv i n u a JP l o t t e r s r 1 1 l ee x p e r i m e n t a l 陀s u l t ss h a wm a t 9 0 0 dc o n t I D le 仃I e l c t sc 蚰b ea c h i e v e da I l dt l l ec o n t r o lp 舢e t e 璐c 明b er e g u l a t e do n l i n e J C 9 yw o I d s d u a l c l o s e d l o o p o r d i n e s i m u l a t i o n d S P A C E 基于dSPACE的双闭环直流调速系统基于dSPACE的双闭环直流调速系统 作者 庞启洋 邵雪卷 张井岗 PANG Qi yang SHAO Xue juan ZHANG Jing gang 作者单位 太原科技大学 太原 030024 刊名 太原科技大学学报 英文刊名 JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOG