電氣傳動系統(tǒng)的實時仿真技術(shù)

1、課程答題冊姓學(xué)名號科目2012201450電氣傳動系統(tǒng)的實時仿真技術(shù)095073課程2013.7.2日期西北工業(yè)大學(xué)院得 分：目錄引言1實時仿真簡介1dSPACE 系統(tǒng)的開發(fā)背景2dSPACE 系統(tǒng)的介紹31.3.1 dSPACE 系統(tǒng)的環(huán)境31.3.2 dSPACE 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)4dSPACE 系統(tǒng)的優(yōu)點及應(yīng)用4基于 dSPACE 的控制系統(tǒng)開發(fā)步驟5dSPACE 系統(tǒng)硬件使用方法5dSPACE 板卡介紹7DS1005 PPC Board7DS2001 High-Speed A/D Board7DS2002/DS2003 Multi-Channel A/D Board7DS2102 Hig

2、h-Resolution D/A Board82.5 DS3002 Incremental Encodererfac82.6 CP4002 Timing and Digital Board93 S開關(guān)管控制信號實驗10離線仿真模型10輸入/輸出口（I/O）接入13RTW build14dSPACE 綜合實驗和測試154 SV4.14.2開關(guān)管控制信號實驗17離線仿真模型20輸入/輸出口（I/O）接入28RTW build29dSPACE 綜合實驗和測試295 分析與總結(jié)31參考文獻32基于 dSPACE 的 S和 SV波形生成方法研究摘要：本文首先簡要介紹了實時仿真技術(shù)，對 dSPACE 仿真

3、的開發(fā)背景、環(huán)境、硬件結(jié)構(gòu)、優(yōu)點與應(yīng)用范圍以及開發(fā)步驟進行了概述，并對 dSPACE 系統(tǒng)中使用的部分板卡的功能與組成進行了詳細的介紹；然后，針對電機控制過程中經(jīng)常使用的 S和 SV兩種調(diào)制方式進行了詳細的理論分析，在此基礎(chǔ)上，提出了能與 dSPACE 系統(tǒng)接口的 S和 SV波形生成方法，并利用/對兩種調(diào)制方式進行了離線建模與仿真；接下來，用 RTI 庫中的實時測試 I/O 替換原來的邏輯連接關(guān)系，利用 RTW build將模型為實時仿真機上可運行的程序；最后，利用 dSPACE 提供的ControlDesk 對實時仿真數(shù)據(jù)進行獲取、并進行仿真，同時，使用示波器對 CP4002 模塊輸出的波形

4、進行和SV了測量。從實驗結(jié)果可以看出仿真結(jié)果與離線仿真結(jié)果一致，生成了S波形，表明了本文所提出方法的可行性與有效性。關(guān)鍵字：實時仿真，dSPA，SV1 引言1.1 實時仿真簡介1961 年 G. W. Menthler 首次對仿真一詞作了技術(shù)上的解釋，認為“仿真”是指在實際系統(tǒng)尚不存在的情況下，對于系統(tǒng)或活動本質(zhì)的復(fù)現(xiàn)。當(dāng)前仿真技術(shù)是以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和為基礎(chǔ)，以計算機和物理效應(yīng)設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)模型對實際或設(shè)想的系統(tǒng)進行動態(tài)試驗研究的一門綜合性技術(shù)1。在電氣傳動控制領(lǐng)域，目前常用的仿真方法多是離線的，所謂離線仿真是指通過數(shù)據(jù)模型、功能模塊模擬控制系統(tǒng)的各組成部分，以計算機方式進行控

5、制系統(tǒng)的仿真。離線仿真系統(tǒng)雖然對控制算法、量化誤差、編程和編譯錯誤的測試是有效的，但是不能用于實際系統(tǒng)的中斷延遲、執(zhí)行時間、內(nèi)存使用和硬件接口等瓶頸與瑕疵的排查。隨著對控制系統(tǒng)魯棒性、可靠性要求的日益增加，實時仿真被提上了日程。實時仿真即將實際物理模塊與理論模型閉環(huán)系統(tǒng)，例如，將系統(tǒng)模型在某種實時硬件上得到基本實現(xiàn)，觀察與實物相連時控制算法的性能，并可反復(fù)設(shè)計，尋求理想的控制方案，從而得出實際可行的設(shè)計23。實時仿真有如下三種方式46：快速控制原型（RCP）；硬件在回路仿真（HILS）；（3）在回路仿真（SILS）（一般作為 HILS 的設(shè)計步驟之一）。11.2 dSPACE 系統(tǒng)的開發(fā)背景在

6、研制電力驅(qū)動系統(tǒng)以及伺服系統(tǒng)7的過程中，因控制算法的復(fù)雜性811，基本上都是基于 DSP 或者單片機的方法得以實現(xiàn)的，使用現(xiàn)代控制策略的時候更是如此1214。在項目開發(fā)過程中，需要編寫大量的程序代碼，同時必須對數(shù)字控制器進行充分的測試和參數(shù)整定，并排除實時中編程、編譯、中斷、內(nèi)存、接口和通信等方面的錯誤，在未完全消除控制器實時隱患之前，就采用實際電機系統(tǒng)進行閉環(huán)測試是非常的。離線仿真時無法對中斷、速度、內(nèi)存、接口和通信等實時參量進行評價，無法排查控制器實時的錯誤。因此該方案開發(fā)過程復(fù)雜，開發(fā)周期長15。因此在項目開發(fā)初期需要一個方便而快捷的方法對控制算法進行驗證。dSPACE 系統(tǒng)就是針對這樣

7、而開發(fā)出來的一個實時硬件測試。基于 dSPACE 實時仿真硬件/，可以實現(xiàn)用開發(fā)控制算法，對控制算法實時調(diào)試，可以很快的進行反復(fù)的設(shè)計和調(diào)試，直到找到理想的控制方案。在工程開發(fā)的初期階段縮短開發(fā)周期，減少項目風(fēng)險，對項目研究具有非常重要的意義。dSPACE/實時仿真系統(tǒng)是由德國 dSPACE 公司開發(fā)的一套基于 的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試的工作 ，實現(xiàn)了和 的完全無縫連接16。dSPACE 實時系統(tǒng)擁有具有高速計算能力的硬件系統(tǒng)，包括處理器、I/0 等，還擁有方便易用的實現(xiàn)代碼生成、試驗和調(diào)試的環(huán)境。這樣，在 dSPACE 強大能力的支持下，就可以很好地解決實時硬件測試的問題17。（1）快速控制原型

8、（RaControl Prototype）：在項目開發(fā)的初級階段，dSPACE 實時仿真系統(tǒng)可以作為控制算法的硬件運行環(huán)境。通過 dSPACE 提供的各種板卡，在控制原型算法和控制對象之間搭建起一座實時的橋梁，便捷地實現(xiàn)對控制算法的研究和試驗，從而在短周期內(nèi)開發(fā)出最適合控制對象或環(huán)境的控制方案。（2）硬件在回路仿真（Hardware-he-Loop Simulation）：當(dāng)產(chǎn)品型控制器生產(chǎn)出來后，由于控制對象可能還處于研制階段，或者控制對象很難得到，這就需要找到合適的方法對己完成的控制器進試。此時 dSPACE 實時仿真系統(tǒng)可以用于仿真控制或?qū)ν猸h(huán)境，從而允許對控制器進行全面、詳細地的測試，

9、甚至連極限條件下的應(yīng)用也可以進行反復(fù)測試。而且，在 dSPACE 試驗工具的幫助下，測試工程師只需在計算機屏幕上隨時測試工具下的各種信號2和曲線即可，從而大大節(jié)約測試費用，縮短測試周期，增加測試的安全性及可靠事、汽車等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用1819。性。HIL 先后在航天航1.3 dSPACE 系統(tǒng)的介紹dSPACE 半實物仿真（實時仿真系統(tǒng)）擁有簡單易用的代碼生成及、實驗工具，還擁有靈活性極強的硬件組合系統(tǒng)。1.3.1 dSPACE 系統(tǒng)的環(huán)境方面，dSPACE 將自己的代碼生成及的無縫連接。dSPACE 提供了集成于包括代碼生成及中，實現(xiàn)了與Real-Time/erface（RTI），實驗工具C

10、ontrolDesk。dSPACE系統(tǒng)配合/RTW，就可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)開發(fā)測試。是用來對模型進行分析、設(shè)計、優(yōu)化和數(shù)據(jù)的離線處理。它不需要用編程語言對數(shù)學(xué)描述方法進行處理。這一特點使成為了數(shù)學(xué)分析、算法開發(fā)及應(yīng)用程序開發(fā)的良好環(huán)境。是一個用來建模、仿真和分析的包，基于的框圖設(shè)計環(huán)境，支持連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混雜系統(tǒng)。提供了采用鼠標拖放的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形交互界面。通過提供的功能塊，可以迅速地創(chuàng)建系統(tǒng)模型。Real-time Workshop（RTW）是是一個基于圖形建模和仿真環(huán)境的一個重要的補充功能模塊，它的代碼自動生成環(huán)境。它能直接從的模型中產(chǎn)生優(yōu)化的、可移植的和個性化的代碼，并根據(jù)

11、目標配置自動生成多種環(huán)境下的程序。在 dSPACE 實時仿真系統(tǒng)中，用 RTW 來從方框圖生成可執(zhí)行的 C 代碼。RTW與 dSPACE 的 RTI（Real-Time件的無縫轉(zhuǎn)換。erface）聯(lián)合可完成從方框圖到 dSPACE 實時硬Real-Timeerface（RTI）為代碼生成和的紐帶，它對。它是連接 dSPACE 實時庫進行了擴展，它以圖形操作方系統(tǒng)與/式實現(xiàn)對 I/O 的設(shè)置，與普通RTW 進行擴展，可實現(xiàn)從 載。另外，RTI 還支持用戶在仿真模塊在使用上沒有區(qū)別。同時通過對模型到 dSPACE 實時硬件代碼的無縫自動下框圖中完成：指定部分模型為定時執(zhí)行；指定部分模型為中斷；指定

12、部分模型為硬件中斷；指定中斷及定時任務(wù)的優(yōu)先級；支持單采樣頻率和多采樣頻率。RTI 還充分考慮了實際工程應(yīng)用中可能遇到的各種問題，如：通過附加解決采樣頻率不同的模塊之間數(shù)據(jù)傳送的不一致性能問題。當(dāng)用戶使用 dSPACE 的 RTI完成建模并用 RTW 產(chǎn)生可執(zhí)行目標代碼及系統(tǒng)描述文件（*.sdo）后，就可在 ControlDesk 的環(huán)境下實現(xiàn)實時代碼的下3載、信號監(jiān)視及參數(shù)調(diào)整等。ControlDesk提供了如下功能：對實時硬件的圖形化管理：ControlDesk 可以方便對硬件板卡進行和管理，并用拖放方式方便的完成目標程序的，用 START 和 STOP 來控制實時程序的啟動和停止。用戶虛

13、擬儀表的建立：用戶可以從儀表庫中采用拖放方式建立所需的虛擬儀表，通過建立的虛擬儀表與實時程序進行動態(tài)、實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)回放、完成修改參數(shù)等。（3）變量的可視化管理：ControlDesk 可以用圖形方式文件，通過拖放操作在變量和虛擬儀表之間建立聯(lián)系，除了RTI 生成的變量一般變量外，還可以諸如采樣時間、中斷優(yōu)先級、程序執(zhí)行時間的等其他與實時操作相關(guān)的變量。1.3.2 dSPACE 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)硬件方面，dSPACE 針對不同的需求，提供了多種可供選擇的方案：（1）單板系統(tǒng)：主要功能是快速控制原型（RaControl Prototype）功能。雖然I/O 數(shù)量有限，但包括了進行快速控制原

14、型設(shè)計所需的大多數(shù) I/O（包括 A/D、D/A、數(shù)字 I/O 等）。還特別考慮了驅(qū)動應(yīng)用方面的需求，配有增量編信號接信號發(fā)生器。典型的單板系統(tǒng)有 DS1103，DS1104?？诩埃?）標準組件系統(tǒng)：dSPACE 標準組件系統(tǒng)的是處理器板，通過高速總線PHS 總線擴展各種 I/O 板；同時，也可通過處理器接口擴展處理器板，組成并行多處理器系統(tǒng)，從而大大加快模型的仿真速度，適應(yīng)用戶對快速實時計算模型的要求。目前，dSPACE 為標準組件系統(tǒng)提供了 DS1005PPC 和DS1006PPC 兩種型號的處理器板，其處理器分別采用了 IBMAMD Opteron（x86 處理器，2.6GHz）。C75

15、0 GX 和1.4 dSPACE 系統(tǒng)的優(yōu)點及應(yīng)用dSPACE 實時系統(tǒng)具有很多其他仿真系統(tǒng)所不能比擬的優(yōu)點20：（1）組合性強：dSPACE 在設(shè)計時就考慮了大多數(shù)用戶的需求，設(shè)計了標準組件系統(tǒng)，可以對系統(tǒng)進行多種組合。對不同用戶而言，可以在運算速度不同的多種處理器（如：Tl 公司的 TMS 系列、DEC 公司的 Alpha 系列、Motorala 公司的C 系列）之間進行選擇。（2）過渡性和快速性好：由于 dSPACE 和之間的無縫連接，方便地實現(xiàn)了從非實時分析、設(shè)計到實時的分析、設(shè)計的過程，節(jié)省了時間和費用。對產(chǎn)品型實時控制器的支持性強。性能價格比高：dSPACE 可以用于多種產(chǎn)品的開發(fā)

16、和調(diào)試。4（5）基于 PC 機，WINDOWS 操作系統(tǒng)：便于用戶掌握和使用，（6）實時性好，可靠性高：一旦代碼到實時系統(tǒng)，代碼本身將是獨立試驗過程中的各種參數(shù)及結(jié)果變運行的，試驗工具只是通過內(nèi)存量，不會產(chǎn)生對試驗過程的中斷。正是由于 dSPACE 系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，目前 dSPACE 已經(jīng)應(yīng)用于航空航天、汽車、發(fā)、電力機車、機器人、驅(qū)動及工業(yè)控制等眾多的領(lǐng)域。許多汽車界的用戶都把 dSPACE 作為可以信賴的開發(fā)測試工具，如：Audi公司用 dSPACE 實現(xiàn)了 ABS 控制器測試臺；德國的鐵路巨頭 Adtranz 則用dSPACE 實現(xiàn)了電力機車的仿真；的 Boeing，Calspan 公司

17、用 dSPACE 進行飛行器的控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真。還有一些研究部門如荷蘭的 Delft 工業(yè)大學(xué)、日本的 Waseda 大學(xué)等用 dSPACE 進行機器人控制算法的研究。而且，由于 dSPACE的高度可靠性，許多工業(yè)用戶用 dSPACE 實現(xiàn)工業(yè)過程控制，如 AchenbachBuschutten 公司就依賴 dSPACE 的高可靠性來控制型材的平面度；丹麥的Grundfos 還用 dSPACE 來驗證集成電路的設(shè)計可行性。1.5 基于 dSPACE 的控制系統(tǒng)開發(fā)步驟對于用戶而言，基于 dSPACE 的控制系統(tǒng)開發(fā)步驟包括以下幾點：（1）/模型建立及離線仿真。利用/建立仿真對象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)

18、計控制方案，并對系統(tǒng)進行離線仿真。（2）輸入/輸出口（I/O）的接入。在/中保留需要到dSPACE 中的模塊，從 RTI 庫中拖放實時測試所需的 I/O，替換原來的邏輯連接關(guān)系，并對 I/O 參數(shù)進行配置。（3）RTW build。由于實時 C 代碼的生成、編譯連接和序。與 dSPACE 的無縫連接，完成目標系統(tǒng)的，將模型為實時仿真機上可運行的程（4）dSPACE 綜合實驗和調(diào)試。利用 dSPACE 提供的 ControlDesk 對實時仿真數(shù)據(jù)進行獲取、聯(lián)機改變參數(shù)并進行仿真。1.6 dSPACE 系統(tǒng)硬件使用方法在使用 dSPACE 系統(tǒng)前，首先檢查試驗臺周圍是否存在安全隱患，然后檢查各部

19、分硬件以及電源連接是否正常，接下來就可以開始試驗了。首先打開工控機，如圖 1-1 所示，按下ER 按鈕即可，需要注意的是KB/LOCK 按鈕，如果選擇 LOCK，則 dSPACE 硬件被鎖住，不能使用。5圖 1-1 工控機操作面板圖 1-2 dSPACE 硬件開關(guān)面板然后打開 dSPACE 硬件電源，如圖 1-2 所示，按下ER 按鈕即可。至此，dSPACE 可以正常使用。62 dSPACE 板卡介紹2.1 DS1005 PPC BoardDS1005 PPC Board 是處理器板卡，它是 dSPACE 模塊化硬件的基礎(chǔ)。它不但給予模塊化系統(tǒng)實時計算的能力，而且可以為 I/O 板卡以及主機提

20、供接口。它主要包括：（1）PHS-bus connector主要用于處理器板卡和 I/O 板卡之間的通信。（2）Sus LEDs主要用來顯示板卡當(dāng)前的狀態(tài)。這些 LED 指示燈起到檢修的作用。（3）Rotary switches用來設(shè)置 I/O 的址。默認址是 300H。Gigalink ModuleDS910 Gigalink Module 是多處理器的關(guān)鍵所在。通過這個模塊，可以將若干個 DS1005 連接起來。這個模塊還可以通過光纜提供高速串行數(shù)據(jù)傳輸。UART RS232 connector用來與標準的 RS232 設(shè)備通信。2.2 DS2001 HighSpeed A/D Board

21、DS2001 High-Speed A/D Board 是高速 A/D 轉(zhuǎn)換板卡，有 5 路轉(zhuǎn)換通道。它主要包括：（1）DIP switches用來設(shè)置 PHS-bus址。默認址是 00H。PHS-bus connector主要用于處理器板卡和 I/O 板卡之間的通信。JumpersdSPACE 保留使用，不允許修改。ADC connector 25 針 Sub-D 母頭。2.3 DS2002/DS2003 MultiChannel A/D BoardDS2002/DS2003 Multi-Channel A/D Board 是多通道 A/D 轉(zhuǎn)換板卡，有 2 個獨立的 A/D 轉(zhuǎn)化器，每個轉(zhuǎn)

22、換器對應(yīng) 16 個輸入通道。它主要包括：7（1）DIP switches用來設(shè)置 PHS-bus址。默認址是 20H。PHS-bus connector主要用于處理器板卡和 I/O 板卡之間的通信。JumpersdSPACE 保留使用，不允許修改。ADC connector 50 針 Sub-D 母頭。2.4 DS2102 HighResolution D/A BoardDS2102 High-Resolution D/A Board 是 D/A 轉(zhuǎn)換器。它可以產(chǎn)生作動器的控制信號，也可以在硬件在回路仿真中模擬傳感器信號。這個板卡有 6 個 16 位的 D/A 轉(zhuǎn)換通道。它主要包括：（1）DI

23、P switches用來設(shè)置 PHS-bus址。默認址是 90H。PHS-bus connector主要用于處理器板卡和 I/O 板卡之間的通信。JumpersdSPACE 保留使用，不允許修改。Calibration connector dSPACE 保留使用。DAC connector37 針 Sub-D 母頭。2.5 DS3002 Incremental EncodererfacDS3002 Incremental Encodererfac用于機器人、驅(qū)動控制和汽車制造領(lǐng)域中的精確位置檢測。本板卡提供 6 路獨立通道，可以對增量式編的數(shù)字和模擬相位信號進行處理。數(shù)字信號可以是差分 RS4

24、22 信號或者單端 TTL 信號。模擬信號可以是正弦電壓或電流。它主要包括：（1）DIP switches用來設(shè)置 PHS-bus址。默認址是 40H。（2）PHS-bus connector8主要用于處理器板卡和 I/O 板卡之間的通信。DWC connector專門用來與 DS5001 Digital Waveform Captur的脈沖寬度和脈沖個數(shù)。Jumpers連接，用來測量低速下用來單獨選擇連接到某一通道上的編（5）Incremental encoder connector 62 針高密度 Sub-D 母頭。類型。2.6 CP4002 Timing and Digital Boar

25、dCP4002 Timing and Digital Board 主要用途有：捕獲數(shù)字信號（尤其是產(chǎn)生靈活的脈沖樣式（和信號），用于參數(shù)測量。，單相以及三相信號）。本板卡有 8 路可編程定時 I/O。同時提供 32 個通用數(shù)字 I/O 口還有連個外部中斷線。它主要包括：（1）DIP switches用來設(shè)置 PHS-bus址。默認址是 C0H。PHS-bus connector主要用于處理器板卡和 I/O 板卡之間的通信。Time-base connector用來與 DS4002，DS2210，DS2211 或者 DS5001 板卡交換時基數(shù)據(jù)。Socket with resistor net

26、work上電后，用來為所有的時基 I/O 提供默認的邏輯電平。默認為低電平。I/O connector 50 針 Sub-D 母頭。93 S開關(guān)管控制信號實驗圖 3-1 是采用作為開關(guān)器件的單相橋式電壓型逆變電路。設(shè)負載為阻感負載，工作時 V1 和 V2 的通斷狀態(tài)互補，V3 和 V4 的通斷狀態(tài)也互補。實驗中采極性控制方式?？刂品绞綖椋寒?dāng) ur uc 時，給 V1 和 V4 以導(dǎo)通信號，給V2 和 V3 以關(guān)斷信號；當(dāng) ur uc 時，給 V2 和 V3 以導(dǎo)通信號，給 V1 和 V4 以關(guān)斷信號。由于實驗設(shè)備條件有限，實驗的主要內(nèi)容是生成開關(guān)管控制信號。V1V3UduoV2V4ur uc信

27、號波載波調(diào)制電路圖 3-1 單相橋式逆變電路3.1 離線仿真模型按照 S控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率波形的方法稱為自然采樣法21。下搭建的離線仿真模型如圖 3-2 所示。開關(guān)器件的通斷，這種生成 S由自然采樣法，在/仿真參數(shù)：調(diào)制正弦波幅值 0.8V，頻率 50Hz；三角載波幅值 1V，頻率 1000Hz；死區(qū)時間 0.1ms（遠大于實際死區(qū)時間，為了使仿真結(jié)果明顯）。圖 3-2 S開關(guān)管控制信號離線仿真模型10在上述實驗條件下，得到的開關(guān)管控制信號波形如圖 3-3 所示。圖 3-3 開關(guān)管控制信號波形自然采樣法是最基本的方法，所得到的 S波形很接近正弦波。但這種方法

28、要求解復(fù)雜的在實時控制中接口模塊 DS4002它要求直接給出方程，在采用微機控制技術(shù)時需花大量的計算時間，難以計算，因而在工程上實際應(yīng)用不多。由 dSPACE 提供的 RTI1_OUT 中并不支持自然采樣法生成 S波形的方式，的周期和占空比，因此這里改為使用規(guī)則采樣法，又因為只對一個通道進行實驗且不驅(qū)動實際的功率器件，所以不再添加死區(qū)。規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實用方法，其效果接近自然采樣法，但計算量卻比自然采樣法小得多，也符合接口模塊 DS4002圖 3-4 為規(guī)則采樣法說明圖，每個脈沖的中點并不和三角1_OUT 的輸入要求。周期的中點（即負峰點）重合。而規(guī)則采樣法使兩者重合，也就是使每

29、個脈沖的中點都以相應(yīng)的三角波中點為對稱，這樣就是計算大為簡化。如圖 3-4 所示，在三角波的負峰時刻 tD 對正弦信號波采樣而得到 D 點，過 D 點作一水平直線和三角波分別交于 A 點和 B 點，在 A 點時刻 tA 和 B 點時刻 tB 控制功率開關(guān)器件的通斷?？梢钥闯?，用這種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。設(shè)正弦調(diào)制信號波為ur a sin rt稱為調(diào)制度，0a1；r 為正弦信號波角頻率。從圖(1)式中，a如下關(guān)系式3-4中1 a sin rtD /2 2(2)Tc /2 11因此 tD )在三角波的一周期內(nèi)，脈沖兩邊的間隙寬度 為1(3) t )(4)r

30、 D2TccrADBtBODt/2/2oOt圖 3-4 規(guī)則采樣法圖 3-5 S開關(guān)管控制信號離線仿真模型12/下重新搭建的離線仿真模型如圖 3-5由規(guī)則采樣法，在所示。仿真參數(shù)：調(diào)制正弦波幅值 0.8V，頻率 50Hz；三角載波幅值 1V，頻率1000Hz。在上述實驗條件下，得到的開關(guān)管控制信號波形如圖 3-6 所示。圖 3-6 V1 開關(guān)信號占空比波形0 到 0.9 之間變化，波形為正弦波，這與可以看出，開關(guān)信號的占空比S波形生成的原理是一致的，因為占空比的變化與調(diào)制正弦波的大小變化是一致的，所以必然是正弦波（嚴格的說應(yīng)該是正弦階梯波，因為采樣周期相對于仿真周期來講很小，所以階梯不是很明顯

31、）。以上完成了基于 dSPACE 生成 S波形實驗步驟的第一步：設(shè)計控制方案，利用/建立仿真模型，并對系統(tǒng)進行離線仿真。3.2 輸入/輸出口（I/O）接入Ts DS40021_OUTtf圖 3-7到 dSPACE 中的仿真模型1350sin2*pi0.81Duty cy cleperiod0.0010.5RT I Data經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)在離線仿真模型中，只有示波器是不需要到 dSPACE 中的，因此，將 RTI 庫中的示波器換為接口模塊 DS40021_OUT，將對應(yīng)的端到 dSPACE 中的仿真模型如圖 3-7 所示?？谶M行連接，得到接口模塊 DS40021_OUT 配置界面如圖示。圖 3-

32、8 接口模塊 DS40021_OUT 配置界面以上完成了基于 dSPACE生成 S波形實驗步驟的第二步：在/到 dSPACE 中的模塊，從 RTI 庫中拖放實時中保留需要測試所需的 I/O，替換原來的邏輯連接關(guān)系，并對 I/O 參數(shù)進行配置。3.3 RTW build如圖 3-9 所示，點擊 Incremental build ， dSPACE 系統(tǒng)將自動將 /中的仿真模型到實時仿真機上。圖 3-9 進行 RTW build以上完成了基于 dSPACE 生成 S統(tǒng)的實時 C 代碼的生成、編譯連接和的程序。波形實驗步驟的第三步：完成目標系，將模型為實時仿真機上可運行143.4 dSPACE 綜合

33、實驗和測試將模型成功后，點擊運行，得到實驗結(jié)果如圖 3-10 所示?？梢钥闯鰣D3-10 與圖 3-3 的波形是相同的，說明表明本實驗成功的生成了 S制信號波形。開關(guān)管控圖 3-10 S開關(guān)管控制信號波形圖 3-11 V1 開關(guān)信號占空比波形在 ControlDesk 中的顯示界面15利用 dSPACE 提供的 ControlDesk 設(shè)計的 V1 開關(guān)信號占空比波形顯示界面如圖 3-11 所示?？梢钥闯鏊c圖 3-6 中的波形是相同的，說明了在 ControlDesk中設(shè)計的顯示界面的正確性。以上完成了基于 dSPACE 生成S波形實驗步驟的第四步：利用 dSPACE提供的 ControlDe

34、sk 對實時仿真數(shù)據(jù)進行獲取、聯(lián)機改變參數(shù)并進行仿真。164 SV開關(guān)管控制信號實驗SV（Space Vector Pulse Width Modulation）是由三相功率逆變器的六個功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形。SV壓的整體效果出發(fā)，著眼于如何使電與傳統(tǒng)的 S不同，它是從三相輸出電獲得理想圓形磁鏈軌跡。SV技術(shù)技術(shù)相比較22，繞組電流波形的諧波成分小，使得電與 S轉(zhuǎn)矩脈動降低，旋轉(zhuǎn)磁場更近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實現(xiàn)數(shù)字化,已有取代傳統(tǒng) S的趨勢。SV的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個開關(guān)周期內(nèi)

35、通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個區(qū)域中，可由組成這個區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實際磁鏈去 近理想磁鏈圓。逆變電路如圖 4-1 示。M圖 4-1 逆變電路設(shè)直流母線電壓為 Udc，逆變器輸出的三相相電壓為 uA、uB、uC，其分別加在空間上互差 120的 ABC 坐標系上。由于逆變器三相橋臂共有 6 個開關(guān)管，為了研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時逆變器輸出的電壓空間矢量，

36、特定義開關(guān)函數(shù) SX (X=A，B，C)為：1 上橋臂導(dǎo)通SX (5)0 下橋臂導(dǎo)通17(SA，SB，SC)的全部可能組合共有八個，包括 6 個非零矢量 U1(001)、U2(010)、 U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)和兩個零矢量 U0(000)、U7(111)，下面以其中一種開關(guān)組合為例分析，假設(shè) SX (X=A，B，C)= (100)，如圖 4-2 所示。uANUdcuCuBU4 (100)圖 4-2 開關(guān)組合為 SX (100)此時 Udc , uBC 0, uCA UdcuBN Udc , uAN uCN UdcuABuAN(6)uuu 0 ANBNCN

37、求解上述方程： uAN 2Udc / 3 、uBN Udc /3 、uCN Udc /3 。同理可計算出其它各種組合下的電壓空間矢量，如表 4-1 所示。表 4-1 開關(guān)狀態(tài)與 ABC 坐標系下的電壓關(guān)系由“等功率”Clarke 變換，可將 ABC 坐標系下的各相電壓轉(zhuǎn)化到 坐標系下，如表 4-2 所示。18SASBSC矢量符號線電壓相電壓uABuBCuCAuANuBNuCN000U0000000100U4Udc0-Udc2Udc/3-Udc/3-Udc/3110U60Udc-UdcUdc/3Udc/3-2Udc/3010U2-UdcUdc0-Udc/32Udc/3-Udc/3011U3-Ud

38、c0Udc-2Udc/3Udc/3Udc/3001U10-UdcUdc-Udc/3-Udc/32Udc/3101U5Udc-Udc0Udc/3-2Udc/3Udc/3111U7000000表 4-2 開關(guān)狀態(tài)與 坐標系下的電壓關(guān)系圖 4-3 給出了八個基本電壓空間矢量的大小和位置。后面的均是基于圖4-3 所示的扇區(qū)下進行的。方式和八個基本電壓空間矢量方式，且都是在 坐標系U2(010)U6(110)扇區(qū)扇區(qū)Uref扇區(qū) U0(000)U4(100)U3(011)0U7(111)扇區(qū)扇區(qū)扇區(qū)U1(001)U5(101)圖 4-3 電壓空間矢量圖其中非零矢量的幅值相同（模長為 2/ 3Udc ），

39、相鄰的矢量間隔 60，而兩個零矢量幅值為零，位于中心。在每一個扇區(qū)，選擇相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來每個扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即：TX TY UTs UTX UTs 0 0TTdt dt dt U*dt(7)refXY T0XXY或者等效成下式：19SASBSC矢量符號相電壓000U000100U42/3 Udc0110U61/ 6 Udc1/ 2 Udc010U21/ 6 Udc1/ 2 Udc011U32/ 3 Udc0001U11/ 6 Udc1/ 2 Udc101U51/ 6 Udc1/ 2 Udc111U700U T U T U T U*T(8)ref sX X

40、Y Y0 0式中：Uref：給定電壓矢量；Ts：采樣周期；TX ,TY ,T0：分別為對應(yīng)兩個非零電壓矢量 UX、UY 和零電壓矢量U* 在一個采0樣周期的作用時間，其中U* 可以為 U0 或 U7。0式(8)的意義是，矢量 Uref 在T 時間內(nèi)積分所產(chǎn)生的效果和 UX、UY、U* 分s別在時間 TX、TY、T0 內(nèi)積分求和的效果相同。由于三相正弦波電壓在電壓空間矢量中0一個等效旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓軌跡將是一個圓形。所以要產(chǎn)生三相正弦波電壓，可以利用以上電壓空間矢量的技術(shù)，用六個非零的基本電壓空間矢量及兩個零矢量的線性時間的組合來得到的開關(guān)狀態(tài)，從而達到電壓空間

41、矢量脈寬調(diào)制的目的。由于實驗設(shè)備條件有限，實驗的主要內(nèi)容是生成開關(guān)管控制信號。4.1 離線仿真模型SV的工作原理已經(jīng)詳細介紹過，這里只給出在/中搭建模型時的算法流程：（1）判斷矢量所處扇區(qū)由已知輸入 u、u，令u1 uu2 3u u(9)u3 3u u通過以下原則求出 N：如果 u10，則 A 1 ，否則 A 0 ；如果 u20，則 B 1 ，否則 B 0 ；如果 u30，則C 1 ，否則C 0 。則 N A 2B 4C 。得到 N 值以后，由表 4-3 中所示的對應(yīng)關(guān)系，得到矢量所處扇區(qū)。表 4-3 N 值與扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系20N123456扇區(qū)號結(jié)構(gòu)如圖 4-4 所示。矢量所處扇區(qū)判斷模塊A

42、N 1-K-2ualpha123456421zoneubeta0圖 4-4 扇區(qū)判斷模塊（2）確定該扇區(qū)對應(yīng)的相鄰兩個矢量的作用時間設(shè)給定電壓空間矢量 Uref 在第扇區(qū)中，如圖 4-5 所示。U6( T6 )UTs6uUref /3 2Udc30( T4 )UTsu U44圖 4-5 電壓空間矢量在第扇區(qū)的與分解 U4T4 U6T6（或用 U4、U6、U0 及 U7 進行 U4T4 / Ts U6T6 / Ts ）。，由平均值等效：Uref TsUref令 Uref 和 U4 間的夾角是 ，由正弦定理：21C261435BTableN1 2 3 4 5 6zone2 6 1 4 3 51co

43、s 軸 Ucos T4T6UUref46TT3ss(10)sin 軸sin T6 UUref6T3s2/ 3Udc ，所以可以得到各矢量的狀態(tài)保持時間為：因為 U4U6 mT sin( )T4s(11)3T6 mTs sin 調(diào)制系數(shù)（調(diào)制比）， m 2式中，m 為 SVUref/ Udc 。式(11)中用到了空間角度及三角函數(shù)，使得直接計算基本電壓矢量作用時間變得十分。充分利用 u 和 u 可以使計算大為簡化。根據(jù)圖 4-5 有： Urefcos u(12) Usin uref經(jīng)過整理后得出3u u 2TsT4 2Udc(13)2Ts uT6Udc為使發(fā)波對稱，且諧波含量較小，本文采用 7

44、段式 SV分配的時間為：，零電壓矢量所 (Ts T4 T6 )T T(14)702同理可求得 Uref 在其它扇區(qū)中各矢量的作用時間，從而可以由 Uref 所在扇區(qū)號通過查表，求得令Uref 相鄰兩電壓空間矢量的作用時間。X2Ts uUdc2TY s ( 3u u )(15)2Udc2TZ s ( 3u u )2Udc則Uref 相鄰兩電壓空間矢量的作用時間可由表 4-4 獲得。其中，TX 表示22相鄰兩個矢量中的前一矢量的作用時間，TY 表示后一矢量的作用時間。如當(dāng) Uref所在扇區(qū)為號，則 TX 表示 U4 的作用時間，TY 表示 U6 的作用時間。表 4-4 矢量作用時間表可以看出，空間

45、矢量作用時間決定了產(chǎn)生近似矢量所要求的開關(guān)點。當(dāng)計算出(TX TY ) Ts 時，產(chǎn)生飽和，使得零矢量作用時間為負值，因此要對飽和時間進行處理。當(dāng)(TX TY ) Ts 時，令TTX=TXsT +TXY(16)TYT=T計算 X、Y、Z 和 TX、TY 模塊YsT +TXY結(jié)構(gòu)分別如圖 4-6 和圖 4-7 所示。21Xubeta1K-K-ualpha2YK-3Z3K-Ts4Udc圖 4-6 X、Y、Z 計算模塊11234zoneX2XTxTy 1-XK-565YTs3Y-Y K-1234Z4Z5-Z6K-圖 4-7 TX、TY 計算模塊23扇區(qū)號TX-ZZX-X-YYTYXY-YZ-Z-X（

46、3）計算電壓空間矢量切換點時間令Ts TX TYTa 4TTb T X 2(17)aTY2Tc Tb 則電壓空間矢量切換點時間可查表 4-5 得出。表 4-5 中 Tcm1、Tcm2、Tcm3 分別為電壓空間矢量切換點時刻。表 4-5 電壓空間矢量切換點時間表1zone1234562Ta1Tcm12TsK-1Ta1234563Tb2TbK-2Tcm21TxTy3TcK-1234564Tc3Tcm3圖 4-8b、Tc 計算模塊圖 4-9 Tcm1、Tcm2、Tcm3 計算模塊24扇區(qū)號Tcm1bTcTcTbTaTcm2TbTaTbTcTcTcm3TcTcTbTaTb圖 4-8 和圖 4-9 分別

47、為（4）脈沖生成b、Tc 計算模塊和 Tcm1、Tcm2、Tcm3 計算模塊。脈沖生成模塊如圖 4-10 所示。1Tcm121PulsesTcm23Tcm3Out1Carrier圖 4-10 脈沖生成模塊將計算得到的 Tcm1、Tcm2、Tcm3 作為調(diào)制波與載波相比較，最終得到逆變器的脈沖信號，即 SV波形。將上述模塊連接成整體，得到離線仿真模型如圖 4-11 所示。仿真參數(shù)：u、u 是相位相差 90的正弦波，幅值為 115V，頻率為 400Hz；控制周期 Ts 為 100s；直流電壓為 270V。圖 4-11 SV開關(guān)管控制信號離線仿真模型在上述實驗條件下，得到的開關(guān)管 V1、V3、V5

48、的控制信號波形如圖 4-12 所示，V4、V6、V2 的控制信號波形分別與 V1、V3、V5 互補，所以省略。25double=double=double=圖 4-12 開關(guān)管控制信號波形同樣由于 dSPACE 提供的 RTI 接口模塊 DS40023_OUT 中并不支持這種生成 SV波形的方式，它要求直接給出的周期和占空比，因此這里在上述模型的基礎(chǔ)上進行修改，使其能夠滿足 dSPACE 的接口要求，修改后得離線仿真模型如圖 4-13 所示。仿真參數(shù)不變。圖 4-13 SV開關(guān)管控制信號離線仿真模型V1 模塊的結(jié)構(gòu)如圖 4-14 所示，由于 V3、V5 的結(jié)構(gòu)與 V1 的結(jié)構(gòu)相同，故不再贅述。

49、26圖 4-14 V1 模塊的結(jié)構(gòu)在上述實驗條件下，得到的開關(guān)管控制信號波形如圖 4-15 所示。圖 4-15 V1、V3、V5 開關(guān)信號占空比波形可以看出，開關(guān)信號的占空比0.2 到 0.8 之間變化，波形為馬鞍波，這與 SV波形生成的原理是一致的。SV實質(zhì)是一種對在三相正弦波中注入了零序分量的調(diào)制波進行規(guī)則采樣的一種變形 S。但 SV的調(diào)制過的相程是在空間中實現(xiàn)的，而 S電壓調(diào)制波是正弦波，而 SV是在 ABC 坐標系下分相實現(xiàn)的；S沒有明確的相電壓調(diào)制波，是隱含的。實際上，SV的相電壓調(diào)制波函數(shù)是不規(guī)則的分段函數(shù)，為馬鞍波形；線電壓調(diào)制波函數(shù)是正弦波形。以上完成了基于 dSPACE 生成

50、 SV波形實驗步驟的第一步：設(shè)計控制方案，利用/建立仿真模型，并對系統(tǒng)進行離線仿真。274.2 輸入/輸出口（I/O）接入經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)在離線仿真模型中，只有示波器是不需要到 dSPACE 中的，因此，將 RTI 庫中的示波器換為接口模塊 DS40023_OUT，將對應(yīng)的端口進行連接，得到到 dSPACE 中的仿真模型如圖 4-16 所示。這里由于 dSPACE 不能實現(xiàn)開關(guān)頻率過高的實時仿真，因此這里修改參數(shù)為：u、u 是相位相差Ts 為 1ms，其他不變。90的正弦波，幅值為115V，頻率為50Hz；控制周期RTI Datazone caluazonezone1Tcm1Tcm1Duty C

51、ycle V1TsubProductzoneV1Duty cycle aTxTxTaTauaalphaXX1ub TsUdcTcm2Tcm2Duty Cycle V3TsDuty cycYYbetaTyTyTbTbProduct1V3ZZDuty cycle c270 xyz calTxTy calUdc1Tcm3Tcm3Duty Cycle V5TsperiodTsTcTcProduct2DS40023 OUTV5bTc calTcm1Tcm2Tcm3 cal0.001Ts圖 4-16到 dSPACE 中的仿真模型接口模塊 DS40023_OUT 配置界面如圖 4-17 所示。圖 4-17

52、接口模塊 DS40023_OUT 配置界面28以上完成了基于 dSPACE生成 SV波形實驗步驟的第二步：在/到 dSPACE 中的模塊，從 RTI 庫中拖放實時中保留需要測試所需的 I/O，替換原來的邏輯連接關(guān)系，并對 I/O 參數(shù)進行配置。4.3 RTW build如圖 4-18 所示，點擊 Incremental build ， dSPACE 系統(tǒng)將自動將 /中的仿真模型到實時仿真機上。圖 4-18 進行 RTW build以上完成了基于 dSPACE 生成 SV系統(tǒng)的實時 C 代碼的生成、編譯連接和行的程序。波形實驗步驟的第三步：完成目標，將模型為實時仿真機上可運4.4 dSPACE

53、綜合實驗和測試成功后，點擊運行，得到實驗結(jié)果如圖 4-19 所示?？梢钥闯鰣D將模型4-19 與圖 4-12 的波形是相同的，說明本實驗成功的生成了 SV信號波形。開關(guān)管控制圖 4-19 SV開關(guān)管控制信號波形29利用 dSPACE 提供的 ControlDesk 設(shè)計的 V1 開關(guān)信號占空比波形顯示界面如圖 4-20 所示?？梢钥闯鏊c圖 4-15 中的波形是相同的，說明了在 ControlDesk中設(shè)計的顯示界面的正確性。圖 4-20 V1、V3、V5 開關(guān)信號占空比波形在 ControlDesk 中的顯示界面以上完成了基于 dSPACE 生成 SV波形實驗步驟的第四步：利用dSPACE 提

54、供的 ControlDesk 對實時仿真數(shù)據(jù)進行獲取、聯(lián)機改變參數(shù)并進行仿真。305 分析與總結(jié)本文首先對 dSPACE 實時仿真系統(tǒng)進行了介紹，然后在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了能與 dSPACE/系統(tǒng)接口的 S和 SV波形生成方法，并利用進行了離線建模與仿真，利用 RTW build 將模型為實時仿真機上可運行的程序，最后進行了實時仿真。實驗結(jié)果表明了本文所提出的基于 dSPACE 的 S研究過程中遇到和 SV：波形生成方法的可行性與有效性。（1）dSPACE 不能實現(xiàn)高速仿真。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，如果將開關(guān)頻率設(shè)置到 10KHz 時，則 dSPACE控制要求。具體表現(xiàn)為只能滿足 10KHz 的發(fā)波

55、頻率，但是不能實時的改變占空比，只能發(fā)出初始化占空比的高大約 6KHz 左右的發(fā)波頻率。波。請教駱老師后，得知 dSPACE 能支持最dSPACE 的幫助機制不好，遇到問題有時候無從下手。dSPACE 的系統(tǒng)過于封閉，這直接導(dǎo)致實驗過程中遇到位，而且在互聯(lián)網(wǎng)上相關(guān)的內(nèi)容也很少。dSPACE 的 ControlDesk 功能不夠強大。不能準確定ControlDesk有著上手容易的優(yōu)點，但是它的功能不夠強大，很多東西與 LabVIEW 這類不能設(shè)置，用戶體驗也遠沒有好。31參考文獻12. 基于 DSPACE 的電氣傳動實時仿真的研究D. 江南大學(xué), 2005.Grega W, Kolek K. Simulation and real-time control: from Aided Control System Design, 2002. Proceedings. 2002 IEEE104-109.to industrial applicationsC. Computerernational Symium on. IEEE, 2002:3Hanselmann H. Automotive control: from concept to e