电气传动系统的实时仿真技术

1、目 录1 引言 ················································

2、3;···········································11.1 实时简介··11.2 dSPACE系统的开发背&#

3、183;2景1.3 dSPACE系统的介·3绍1.3.1 dSPACE系统的软件环境1.3.2 dSPACE系统的硬件结构1.4 dSPACE系统的优点及应······························3·4用1.5骤·4基于 dSPACE的·5

4、系统开发步1.6 dSPACE系统硬件使用方法·52 dSPACE板卡介绍72.1 DS1005 PPCBoard··72.2 DS2001 High-Speed A/DBoard·72.3 DS2002/DS2003 Multi-Channel A/DBoard·72.4 DS2102 High-Resolution D/ABoard··82.5 DS3002 Incremental Encoder InterfaceBoard·82.6 CP4002 Timing and DigitalBoard·9

5、3 SPWM开关管验 ················································&

6、#183;模信号实···········103.1离线型3.2·10输入/输出口（I/O）接入·133.3 RTW build··143.4 dSPACE综合实验和测试·154 SVPWM开关管验17模·信号实4.1型4.2离线·20输入/输出口（I/O）接入·284.3 RTW build·294.4 dSPACE综合实验和测试··295 分析与总结31参考文献32基于 dS

7、PACE的 SPWM和 SVPWM波形 生成方法研究摘要：本文首先简要介绍了实时技术，对 dSPACE平台的开发背景、软件环境、硬件结构、优点与应用范围以及开发步骤进行了概述，并对 dSPACE系统中使用的部分板卡的功能与组成进行了详细的介绍；然后，电机过程中经常使用的 SPWM和 SVPWM两种调制方式进行了详细的理论分析，在此基础上，提出了能与 dSPACE系统接口的 SPWM和 SVPWM波形生成方法，并利用/Simulink软件对两种调制方式进行了离线建模与；接下来，用RTI库中的实时测试 I/O替换原来的逻辑连接关系，利用 RTW build将模型为实时机上可运行的程序；昀后，利用

8、dSPACE提供的 ControlDesk对实时数据进行获取、并进行，同时，使用示波器对 CP4002模块输出的PWM波形进行了测量。从实验结果可以看出，结果与离线结果一致，生成了 SPWM和 SVPWM波形，表明了本文所提出方法的可行性与有效性。 关键字：实时， dSPACE，SPWM，SVPWM1引言1.1实时简介1961年 G. W. Morgenthler首次对一词作了技术上的解释，认为“当前机和”是指在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。技术是以论、系统论、相似原理和为基础，以计算物理效应设备为工具，借助系统模型对实际或设想的系统进行动1态试验研究的一门综合性技术 。

9、在电气传动领域，目前常用的方法多是离线的，所谓离线仿真是指通过数据模型、功能模块模拟系统的各组成部分，以计算机软件方式进行系统的。离线系统虽然对算法、量化误差、编程和编译错误的测试是有效的，但是不能用于实际系统的中断延迟、执行时间、内存使用和硬件接口等瓶颈与瑕疵的排查。随着对日程。实时系统鲁棒性、可靠性要求的日益增加，实时被提上了即将实际物理模块与理论模型闭环系统，例如，将系统模型在某种实时硬件平台上得到基本实现，观察与实物相连时算法的性能，并可反复设计，寻求理想的方案，从而得出实际可行的设计23。46有如下三种方式 ：原型（RCP）；实时（1）快速（2） 硬件在回路（3） 软件在回路（HIL

10、S）；（SILS）（一般作为 HILS的设计步骤之一）。1.2 dSPACE系统的开发背景7在研制电力驱动系统以及伺服系统 的过程中，因算法的复杂性811，基本上都是基于 DSP或者单片机的软件方法得以实现的，使用现代1214策略的时候更是如此。在项目开发过程中，需要编写大量的程序代码，同时必须对数字器进行充分的测试和参数整定，并排除实时软件中编程、编译、中断、内存、接口和通信等方面的错误，在未完全消除器实时软件隐患之前，就采用实际电机系统进行闭环测试是非常的。离线时无法对中断、速度、内存、接口和通信等实时参量进行评价，无法排查器实时软件的错误。因此该方案开发过程复杂，开发周15期长 。因此在

11、项目开发初期需要一个方便而快捷的方法对算法进行验证。dSPACE系统就是平台。基于 dSPACE实时这样的问题而开发出来的一个实时硬件测试硬件平台，可以实现用/Simulink开发算法，对算法实时调试，可以很快的进行反复的设计和调试，直到找到理想的方案。在工程开发的初期阶段缩短开发周期，减少项目风险，对项目研究具有非常重要的意义。dSPACE实时系统是由德国 dSPACE公司开发的一套基于/Simulink的系统开发及测试的工作平台，实现了和16/Simulink的完全无缝连接 。dSPACE实时系统拥有具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、I/0等，还拥有方便易用的实现代码生成、试验和调试

12、的软件环境。这样，在 dSPACE强大能力的支持下，就可以很好地解决实时硬件17测试的问题 。（1）快速原型（Rapid Control Prototype）：在项目开发的初级阶段，dSPACE实时系统可以作为算法的硬件运行环境。通过 dSPACE提供的各种板卡，在梁，便捷地实现对对象或环境的（2）硬件在回路原型算法和对象之间搭建起一座实时的桥算法的研究和试验，从而在短周期内开发出昀适合方案。（ Hardware-in-the-Loop Simulation）：当型控对象很难制器生产出来后，由于对象可能还处于研制阶段，或者得到，这就需要找到合适的方法对己完成的器进试。此时dSPACE实时系统可

13、以用于或对外环境，从而对器进行全面、详细地的测试，甚至连极限条件下的应用也可以进行反复测试。而且，在 dSPACE试验工具软件的帮助下，测试工程师只需在计算机屏幕上随时测试工具软件下的各种信号和曲线即可，从而大大节约测试费用，缩短测试周期，增加测试的安全性1819事、汽车等领域得到推广应用。及可靠性。HIL先后在航天航1.3 dSPACE系统的介绍dSPACE半实物平台（实时系统）拥有简单易用的代码生成及下载软件、实验工具软件，还拥有灵活性极强的硬件组合系统。1.3.1 dSPACE系统的软件环境软件方面，dSPACE将的代码生成及软件集成于的无缝连接。dSPACE提供了软件包括代码生成中，实

14、现了与软件 Real-Time Interface（RTI），实验工具软件 ControlDesk。及dSPACE软件系统配合发测试。/Simulink/RTW，就可以实现系统开是用来对模型进行分析、设计、优化和数据的离线处理。它不需要用编程语言对数学描述方法进行处理。这一特点使成为了数学分析、算法开发及应用程序开发的良好环境。Simulink是一个用来建模、和分析的软件包，基于的框图设计环境，支持连续系统、离散系统和混杂系统。 Simulink提供了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交互界面。通过 Simulink提供的功能块，可以迅速地创建系统模型。 Real-time Worksh

15、op（RTW）软件是图形建模和 Simulink环境的一个重要的补充功能模块，它是一个基于Simulink的代码自动生成环境。它能直接从 Simulink的模型中产生优化的、可移植的和个性化的代码，并根据目标配置自动生成多种环境下的程序。在 dSPACE实时系统中，用 RTW来从方框图生成可执行的 C代码。RTW与 dSPACE的 RTI（Real-Time Interface）dSPACE实时硬件的无缝转换。可完成从方框图到Real-Time Interface（RTI）为代码生成和软件。它是连接 dSPACE/Simulink的纽带，它对 Simulink库进行了扩展，它以实时系统与图形操

16、作方式实现对 I/O的设置，与普通 Simulink模块在使用上没有区别。同时通过对 RTW进行扩展，可实现从 Simulink模型到 dSPACE实时硬件代码的无缝自动。另外，RTI还支持用户在 Simulink框图中完成：指定部分模型为定时执行；指定部分模型为软件中断；指定部分模型为硬件中断；指定中断及定时任务的优先级；支持单采样频率和多采样频率。 RTI还充分考虑了实际工程应用中可能遇到的各种问题，如：通过附加解决采样频率不同的模块之间数据传送的不一致性能问题。当用户使用 dSPACE的 RTI软件完成建模并用 RTW产生可执行目标代码及系统描述文件（ *.sdo）后，就可在 Contr

17、olDesk的软件环境下实现实码的、信号监视及参数调整等。ControlDesk软件提供了如下功能：（1）对实时硬件的图形化管理： ControlDesk可以方便对硬件板卡进行注册和管理，并用拖放方式方便的完成目标程序的，用 START和STOP来实时程序的启动和停止。（2）用户虚拟仪表的建立：用户可以从仪表库中采用拖放方式建立所需的虚拟仪表，通过建立的虚拟仪表与实时程序进行动态、实时数据，实现实时数据回放、完成修改参数等。（3）变量的可视化管理： ControlDesk可以用图形方式RTI生成的变量文件，通过拖放操作在变量和虚拟仪表之间建立，除了一般变量外，还可以诸如采样时间、中断优先级、程

18、序执行时间的等其他与实时操作相关的变量。1.3.2 dSPACE系统的硬件结构硬件方面，dSPACE种可供选择的方案：不同的需求，提供了多（1）单板系统：主要功能是快速Rapid Control Prototype）功原型设计所需的大多数原型（能。虽然 I/O数量有限，但包括了进行快速I/O（包括 A/D、 D/A、数字 I/O等）。还特别考虑了驱动应用方面的需求，配有增量编码器信号接口及 PWM信号发生器。典型的单板系统有DS1103，DS1104。（2）标准组件系统：dSPACE标准组件系统的是处理器板，通过内部高速总线PHS总线扩展各种 I/O板；同时，也可通过处理器接口扩展处理器板，组

19、成并行多处理器系统，从而大大加快模型的速度，适应用户对快速实时计算模型的要求。目前，dSPACE为标准组件系统提供了 DS1005PPC和 DS1006PPC两种型号的处理器板，其处理器分别采用了 IBM PowerPC750 GX和 AMD Opteron（x86处理器，2.6GHz）。1.4 dSPACE系统的优点及应用20dSPACE实时系统具有很多其他系统所不能比拟的优点 ：（1）组合性强：dSPACE在设计时就考虑了大多数用户的需求，设计了标准组件系统，可以对系统进行多种组合。对不同用户而言，可以在运算速度不同的多种处理器（如： Tl公司的 TMS系列、DEC公司的 Alpha系列、

20、Motorala公司的 PowerPC系列）之间进行选择。（2）过渡性和快速性好：由于 dSPACE和之间的无缝连接，方便地实现了从非实时分析、设计到实时的分析、设计的过程，节省了时间和费用。（3）对型实时器的支持性强。（4）性能价格比高：dSPACE可以用于多种的开发和调试。（5）基于 PC机，WINDOWS操作系统：便于用户掌握和使用，（6）实时性好，可靠性高：一旦代码到实时系统，代码本身将是运行的，试验工具软件只是通过内存试验过程中的各种参数及结果变量，产生对试验过程的中断。正是由于 dSPACE系统的诸多优点，目前 dSPACE已经应用于航空航天、汽车、发域。、电力机车、人、驱动及工业

21、等众多的领许多汽车界的用户都把 dSPACE作为可以信赖的开发测试工具，如：Audi公司用 dSPACE实现了 ABS器测试台；德国的铁路巨头 Adtranz则用 dSPACE实现了电力机车的； 美国的 Boeing ，Calspan公司用 dSPACE进行飞行器的系统设计和。还有一些研究部门如荷兰的 Delft工业大学、的 Waseda大学等用 dSPACE进行人算法的研究。而且，由于 dSPACE的高度可靠性，许多工业用户用 dSPACE实现工业过程，如 Achenbach Buschutten公司就依赖dSPACE的高可靠性来型材的平面度；丹麦的 Grundfos还用 dSPACE来验证

22、集成电路的设计可行性。1.5基于 dSPACE的系统开发步骤对于用户而言，基于 dSPACE的系统开发步骤包括以下几点：（1） 立/Simulink模型建立及离线。利用/Simulink建。对象的数学模型，设计方案，并对系统进行离线（2）输入 /输出口（ I/O）的接入。在/Simulink中保留需要下载到 dSPACE中的模块，从 RTI库中拖放实时测试所需的 I/O，替换原来的逻辑连接关系，并对 I/O参数进行配置。（3）RTW build。由于与 dSPACE的无缝连接，完成目标系统的实时 C代码的生成、编译连接和，将模型运行的程序。为实时机上可（4）dSPACE综合实验和调试。利用 d

23、SPACE提供的 ControlDesk对实时数据进行获取、联机改变参数并进行。1.6 dSPACE系统硬件使用方法在使用 dSPACE系统前，首先检查试验台周围是否存在安全隐患， 然后检查各部分硬件以及电源连接是否正常，接下来就可以开始试验了。首先打开工控机，如图 1-1所示，按下 POWER按钮即可，需要注意的是 KB/LOCK按钮，如果选择 LOCK，则 dSPACE硬件被锁住，不能使用。图 1-1工控机操作面板图 1-2 dSPACE硬件开关面板dSPACE 硬件平1-2 所示， 按下可 。 至 此 ，然后打开台 电 源 ， 如 图POWER 按 钮 即dSPACE可以正常使用。2 d

24、SPACE板卡介绍2.1 DS1005 PPC BoardDS1005 PPC Board是处理器板卡，它是 dSPACE模块化硬件的基础。它不但给予模块化系统实时计算的能力，而且可以为 I/O板卡以及主机提供接口。它主要包括：（1） PHS-bus connector 主要用于处理器板卡和 I/O板卡之间的通信。（2） Status LEDs主要用来显示板卡当前的状态。这些 LED指示灯起到检修的作用。（3） Rotary switches用来设置 I/O的基地址。默认基地址是 300H。（4） Gigalink ModuleDS910 Gigalink Module是多处理器的关键所在。通

25、过这个模块，可以将若干个 DS1005连接起来。这个模块还可以通过光缆提供高速串行数据传输。（5）UART RS232 connector 用来与标准的 RS232设备通信。2.2 DS2001 HighSpeed A/D BoardDS2001 High-Speed A/D Board是高速 A/D转换板卡，有 5路转换通道。它主要包括：（1） DIP switches用来设置 PHS-bus基地址。默认基地址是 00H。（2） PHS-bus connector 主要用于处理器板卡和 I/O板卡之间的通信。（3） Jumpers dSPACE保留使用，不修改。（4） ADC connect

26、or 25针 Sub-D母头。2.3 DS2002/DS2003 MultiChannel A/D BoardDS2002/DS2003 Multi-Channel A/D Board是多通道 A/D转换板卡，有的 A/D转化器，每个转换器对应 16个输入通道。它主要包括：2个（1） DIP switches用来设置 PHS-bus基地址。默认基地址是 20H。（2） PHS-bus connector 主要用于处理器板卡和 I/O板卡之间的通信。（3） Jumpers dSPACE保留使用，不修改。（4） ADC connector 50针 Sub-D母头。2.4 DS2102 HighRe

27、solution D/A BoardDS2102 High-Resolution D/A Board是 D/A转换器。它可以产生作动器的信号，也可以在硬件在回路中模拟传感器信号。这个板卡有6个 16位的 D/A转换通道。它主要包括：（1） DIP switches用来设置 PHS-bus基地址。默认基地址是 90H。（2） PHS-bus connector 主要用于处理器板卡和 I/O板卡之间的通信。（3）Jumpers dSPACE保留使用，不修改。（4） Calibration connector dSPACE保留使用。（5） DAC connector 37针 Sub-D母头。2.5

28、DS3002 Incremental Encoder InterfacDS3002 Incremental Encoder Interfac用于人、驱动和汽车制造领域中的精确位置检测。本板卡提供 6路通道，可以对增量式编码器的数字和模拟相位信号进行处理。数字信号可以是差分 RS422信号或者单端 TTL信号。模拟信号可以是正弦电压或电流。它主要包括：（1） DIP switches用来设置 PHS-bus基地址。默认基地址是 40H。（2） PHS-bus connector主要用于处理器板卡和 I/O板卡之间的通信。（3） DWC connector专门用来与 DS5001 Digital

29、Waveform Captur低速下的脉冲宽度和脉冲个数。连接，用来测量（4） Jumpers 用来单独选择连接到某一通道上的编码器类型。（5） Incremental encoder connector 62针高密度 Sub-D母头。2.6 CP4002 Timing and Digital BoardCP4002 Timing and Digital Board主要用途有：（1） 捕获数字信号（尤其是方波和 PWM信号），用于参数测量。（2） 产生灵活的脉冲样式（方波，单相以及三相 PWM信号）。本板卡有 8路可编程定时 I/O。同时提供 32个通用数字 I/O口还有连个外部中断线。它主要

30、包括：（1） DIP switches用来设置 PHS-bus基地址。默认基地址是 C0H。（2） PHS-bus connector 主要用于处理器板卡和 I/O板卡之间的通信。（3） Time-base connector 用来与 DS4002，DS2210，DS2211或者DS5001板卡交换时基数据。（4） Socket with resistor network 上电后，用来为所有的时基 I/O提供默认的逻辑电平。默认为低电平。（5） I/O connector 50针 Sub-D母头。ur 信号波载波uc 图 3-1单相桥式 PWM逆变电路3.1离线模型按照 SPWM的基本原理，在

31、正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，这种生成 SPWM波形的方法称为自然采样法21。/Simulink下搭建的离线由自然采样法，在模型如图3-2所示。参数：调制正弦波幅值 0.8V，频率 50Hz；三角载波幅值1V，频率 1000Hz；死区时间 0.1ms（远大于实际死区时间，为了使结果明显）。图 3-2 SPWM开关管信号离线模型在上述实验条件下，得到的开关管信号波形如图 3-3所示。图 3-3开关管信号波形自然采样法是昀基本的方法，所得到的 SPWM波形很接近正弦波。但这种方法要求解复杂的方程，在采用微机技术时需花大量的计算时间，难以在实时中计算，因而在工程上实际应用不多。

32、由dSPACE提供的 RTI接口模块 DS4002PWM1_OUT中并不支持自然采样法生成 SPWM波形的方式，它要求直接给出 PWM的周期和占空比，因此这里改为使用规则采样法，又因为只对一个 PWM通道进行实验且不驱动实际的功率器件，所以不再添加死区。规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多，也符合接口模块DS4002PWM1_OUT的输入要求。图 3-4为规则采样法说明图，每个脉冲的中点并不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合。而规则采样法使两者重合，也就是使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，这样就是计算大为简化。如图 3-4所示，

33、在三角波的负峰时刻 tD对正弦信号波采样而得到 D点，过 D点作一水平直线和三角波分别交于 A点和 B点， 在 A点时刻 tA和 B点时刻 tB功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。设正弦调制信号波为uasint (1)rr式中，a称为调制度，0a1；r为正弦信号波角频率。从图 3-4中可得如下关系式1asint 2rD(2)/2 T /2c因此可得Tc(1asint)(3)rD2在三角波的一周期内，脉冲两边的间隙宽度'为 1 Tc'(T)(1t) (4)asinc rD2 4Tc图 3-4规则采样法图 3-5 SP

34、WM开关真模型管信号离线仿/Simulink下重新搭建的离线由规则采样法，在模型如图 3-5所示。值 1V，频率参数：调制正弦波幅值 0.8V，频率 50Hz；三角载波幅1000Hz。在上述实验条件下，得到的开关管信号波形如图 3-6所示。图 3-6 V1开关信号占空比波形可以看出，开关信号的占空比约在 0到 0.9之间变化，波形为正弦波，这与 SPWM波形生成的原理是一致的，因为占空比的变化与调制正弦波的大小变化是一致的，所以必然是正弦波（严格的说应该是正弦阶梯波，因为采样周期相对于周期来讲很小，所以阶梯不是很明显）。以上完成了基于 dSPACE生成 SPWM波形实验步骤的第一步：设计方案，

35、利用/Simulink建立模型，并对系统进行离线仿真。3.2输入/输出口（I/O）接入RTI Dataf图 3-7到 dSPACE中的模型经过分析，发现在离线模型中，只有示波器是不需要到dSPACE 中的，因此，将 RTI 库中的示波器换为接口模块 DS4002PWM1_OUT，将对应的端口进行连接，得到模型如图 3-7所示。接口模块 DS4002PWM1_OUT配置界面如图到 dSPACE中的示。图 3-8接口模块 DS4002PWM1_OUT配置界面以上完成了基于 dSPACE生成 SPWM波形实验步骤的第二步：在/Simulink中保留需要到 dSPACE中的模块，从 RTI库中拖放实时

36、测试所需的 I/O，替换原来的逻辑连接关系，并对 I/O参数进行配置。3.3 RTW build如图 3-9 所示，点击 Incremental build， dSPACE系统将自动将/Simulink中的模型到实时机上。图 3-9进行 RTW build以上完成了基于 dSPACE生成 SPWM波形实验步骤的第三步：完成目标系统的实时 C代码的生成、编译连接和真机上可运行的程序。，将模型为实时仿3.4 dSPACE综合实验和测试后，点击运行，得到实验结果如图 3-10所示。可以将模型看出图 3-10与图 3-3的波形是相同的，说明表明本实验的生成了SPWM开关管信号波形。图 3-10 SPW

37、M开关管信号波形图 3-11 V1开关信号占空比波形在 ControlDesk中的显示界面利用 dSPACE提供的 ControlDesk设计的 V1开关信号占空比波形显示界面如图 3-11所示。可以看出它与图 3-6中的波形是相同的，说明了在 ControlDesk中设计的显示界面的正确性。以上完成了基于 dSPACE生成 SPWM波形实验步骤的第四步：利用dSPACE提供的 ControlDesk对实时数据进行获取、联机改变参数并进行。4 SVPWM开关管信号实验SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特

38、定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。SVPWM与传统的 SPWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电获得理想22圆形磁链轨迹。 SVPWM技术与 SPWM技术相比较 ，绕组电流波形的谐波成分小，使得电转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化,已有取代传统SPWM的趋势。SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。

39、两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁链去逼近理想磁链圆。逆变电路如图 4-1示。M图 4-1逆变电路设直流母线电压为 Udc，逆变器输出的三相相电压为 uA、uB、uC，其分别加在空间上互差 120°的 ABC坐标系上。由于逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的电压空间矢量，特定义开关函数 SX (X=A，B，C)为：SX1 上桥臂导通(5)0 下桥臂导通(SA，SB，SC)的全部可能组合共有八个，包括 6个非零矢量 U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)和两个零矢量 U0(000)、U7(111)，下面以其中一种开关组合为例分析，假设 SX (X=A，B，C)= (100)，如图4-2所示。uAUdcuBU (100)44-2开关组合为 S(100