邵雪卷，張井崗，趙志誠

(太原科技大學電子信息工程學院，山西太原030024)

0 引言

“運動控制系統(tǒng)”課程綜合了電子電路、電機拖動、自動控制理論、微機原理與應用等多學科知識，是一門綜合性、實踐性和應用性很強的課程。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是“運動控制系統(tǒng)”課程的重要內容，該部分內容理論性強且比較抽象。為了讓學生能直觀地了解不同調節(jié)器以及同一種調節(jié)器不同參數對系統(tǒng)性能的影響，在現(xiàn)在的教學中經常用到的有兩種方法［1]:一是在實驗室中，先測出電機的基本參數，采用工程方法設計出兩個調節(jié)器，然后在直流調速實驗臺上進行操作，以觀察電機起動時的電流和轉速波形。這種方法使用的是模擬調節(jié)器，模擬調節(jié)器存在零點漂移現(xiàn)象，且環(huán)境溫度變化會影響調節(jié)器參數，但對于一些先進的控制方法用模擬調節(jié)器難以實現(xiàn);二是在Matlab/Simulink下搭建結構框圖，然后進行仿真研究。這種方法雖然調節(jié)器參數比較容易調節(jié)且不受外界影響，但仿真使用的是電機數學模型，仿真結果過于理想化。

dSPACE是基于Matlab/Simulink開發(fā)的實時仿真系統(tǒng)軟硬件工作平臺［2]，它可以提供快速控制原型系統(tǒng)的應用平臺，在這個平臺上不僅控制器容易實現(xiàn)，而且可以實時地調整控制器參數，并提供多種參數顯示方式，滿足不同的需求。本文針對雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，使用快速控制原型方式設計了一套以dSPACE為核心的運動控制系統(tǒng)實驗平臺，并在此平臺上，研究了PID控制和內?？刂撇呗栽谶\動控制系統(tǒng)中的應用。在線仿真研究表明，基于dSPACE平臺的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，參數修改方便，易于學生了解不同控制器對系統(tǒng)性能的影響。

1 基于dSPACE的控制系統(tǒng)開發(fā)

在使用dSPACE之前，學生首先需要了解直流調速系統(tǒng)的軟件構成以及各軟件的作用。dSPACE的軟件包括Matlab/Simulink/RTW，dSPACE/RTI和ControlDesk等。

RTW可以從Simulink方框圖自動生成C代碼，RTW與dSPACERTI聯(lián)合可以實現(xiàn)從模塊方框圖到dSPACE實時硬件的轉換。

RTI是連接dSPACE實時系統(tǒng)于現(xiàn)代控制設計開發(fā)平臺Matlab/Simulink之間的紐帶。RTI對Simulink庫進行了擴展，利用這些框圖可以無需書寫任何代碼就能完成包括I/O接口及其初始化過程的全部設置。

我們可以采用Simulink建立模型并加入需要的dSPACE I/O模塊，然后對RTW進行設置，就可以實現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE實時硬件代碼的無縫自動下載。ControlDesk是dSPACE公司開發(fā)的新一代實驗工具軟件。一旦控制器的開發(fā)及仿真模型用Matlab/Simulink建立好，通過RTI實現(xiàn)并下載到實時硬件中，就可以使用ControlDesk對運行過程進行監(jiān)控。

基于dSPACE的控制系統(tǒng)可以采用如下的開發(fā)過程。

(1)算法框圖的建立—在Matlab/Simulink中建立控制算法的框圖，控制算法可以直接用傳遞函數表示，也可以用C語言編寫;

(2)加入輸入/輸出口(I/O)—從RTI庫中拖放實時測試所需的I/O，并對I/O參數進行配置;

(3)選擇RTW Build—Matlab與dSPACE可實現(xiàn)完全無縫連接，以此完成目標系統(tǒng)的實時C代碼的生成、編譯、連接和下載，將Simulink下的模型變?yōu)閐SPACE可運行的程序;

(4)進行dSPACE綜合實驗和調試—利用dSPACE提供的ControlDesk對實時仿真數據進行獲取、聯(lián)機改變參數并進行實時實驗。

2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)實時控制平臺

基于dSPACE的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)總體構成如圖1所示。

圖1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)實時控制平臺

從圖1可見，基于dSPACE的調速系統(tǒng)包括工控機、dSPACE硬件、整流裝置、直流電機以及電流、轉速檢測裝置。工控機是底層工具，dSPACE實時系統(tǒng)軟件Matlab/Simulink/RTW和ControlDesk/RTI安裝在其中。dSPACE硬件安裝在它的ISA插槽上。dSPACE針對不同用戶的需求，提供多種可供選擇的硬件系統(tǒng)，如單板系統(tǒng)和標準組件系統(tǒng)等。

本文采用的硬件是DS1103單板系統(tǒng)，把DS1103提供的A/D和D/A模塊與調速系統(tǒng)根據控制要求連接?；赿SPACE的調速系統(tǒng)實質上是一種數字控制，需要對輸入信號和輸出信號進行A/D轉換和D/A轉換。調速系統(tǒng)有給定電壓，轉速反饋電壓和電流反饋電壓三個模擬輸入信號，都需要通過A/D轉換才能被dSPACE系統(tǒng)處理;控制器輸出控制電壓，這是一個數字信號，需要通過D/A轉換成模擬信號才能控制晶閘管整流電路的觸發(fā)角進而控制電樞電壓。

本文采用dSPACE的單板系統(tǒng)DS1103可以提供20路A/D通道和8路D/A通道，把選用的A/D和D/A通道所對應的引腳通過信號線和其對應的輸入輸出連起來，即可完成系統(tǒng)的硬件連接。在Simulink下搭建控制系統(tǒng)模塊框圖，使用RTW的Build把控制框圖自動編譯并下載到dSPACE硬件后，就可以脫離工控機在dSPACE硬件上獨立運行。

3 dSPACE在調速系統(tǒng)中的應用

3.1 實驗用的直流他勵電動機DJ15

DJ15的主要技術參數為額定電流IN=1.2A，額定轉速nN=1600r/min，額定電壓UN=220V，額定容量185W，額定勵磁電流IfN＜0.13A，勵磁電壓220V。通過實驗測量計算可得電樞回路總電阻R=30.06Ω，電樞回路總電感L=532mH;飛輪慣量CD2=0.154N·m2;晶閘管整流裝置放大倍數KS=15;電動機電勢系數Ce=0.121V·m2，系統(tǒng)的機電時間常數Tm=0.25s，轉矩常數Cm=1.156V·r/min，本文采用工程設計方法來設計PI電流調節(jié)器和PI轉速調節(jié)器。

3.2 PID控制的調速系統(tǒng)

基于dSPACE的調速系統(tǒng)的Simulink模塊框圖如圖2所示。利用dSPACE擴展了的RTW的Build功能，可以把Simulink模塊框圖編譯并下載到dSPACE硬件上。

圖2 PID控制的調速系統(tǒng)的dSPAC實現(xiàn)模塊

為了對運動控制系統(tǒng)的性能進行評估，我們可以利用ControlDesk建立用戶虛擬儀表對控制參數進行實時檢測;控制器參數的設定對控制器性能的影響至關重要，ControlDesk可以通過使用不同儀表在線修改調節(jié)器參數。還可以利用ControlDesk提供的繪制功能，得到雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電流響應曲線和轉速響應曲線，如圖3所示。從圖3(b)的速度響應曲線可以看出，采用PI調節(jié)器存在轉速超調現(xiàn)象。

圖3 PID控制的調速系統(tǒng)特性

3.3 內模控制的調速系統(tǒng)

內?？刂破骶哂谐Ｒ?guī)PI調節(jié)器控制穩(wěn)態(tài)精度高和抗干擾性能好的優(yōu)點，根據內?？刂圃恚Y合工程設計法，設計一種內模速度控制器，可以實現(xiàn)無轉速超調控制。采用內模控制策略的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的Simulink控制框圖如圖4所示。

圖4 內?？刂频恼{速系統(tǒng)的控制框圖

內?？刂频恼{速系統(tǒng)的電流、轉速的響應曲線分別如圖5所示。從圖5(b)可以看出，采用內?？刂频恼{速系統(tǒng)可以避免轉速超調現(xiàn)象。

圖5 內模控制的調速系統(tǒng)

從以上兩個實驗可以看出，采用dSPACE實時仿真系統(tǒng)只需改變結構框圖中的控制器部分，就可以實現(xiàn)不同控制策略在運動控制系統(tǒng)中的應用，而且通過ControlDesk界面很容易修改控制器參數。這對于學生在學習運動控制系統(tǒng)過程中，了解不同控制策略以及相同控制策略不同控制器參數對系統(tǒng)的影響是非常有益的。

4 結語

本文基于dSPACE設計了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的實時控制平臺，并在此平臺上，研究了常規(guī)PID和內模控制兩種不同的控制策略在運動控制系統(tǒng)中的應用。

實驗結果表明，基于dSPACE平臺的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，參數修改方便，學生可以很直觀地看到不同控制器下的控制效果。這一實驗平臺的設計使得各種先進控制算法應用于運動控制系統(tǒng)成為可能，適合于教學實驗使用。

［1] 楊靜，黃江平，楊輝，陳世明，龔錦紅.“運動控制系統(tǒng)”課程虛擬實驗室建設的探索［J] .南京:電氣電子教學學報，2009，31.

［2] 楊滌，李立濤.系統(tǒng)實時仿真開發(fā)環(huán)境與應用［M] .北京:清華大學出版社，2002.