基于dSPACE快速控制原型的驅(qū)動電機控制研究*

王建強，趙　津，甯油江

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

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基于dSPACE快速控制原型的驅(qū)動電機控制研究*

王建強，趙津，甯油江

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

摘要：快速控制原型作為半實物仿真技術的一種，其應用使得控制系統(tǒng)的開發(fā)、產(chǎn)品型控制器的仿真測試變得更加方便易行，也使得研究人員對控制算法及仿真測試方案的研究更加高效。利用基于dSPACE的快速控制原型建立了實時半實物仿真平臺，實現(xiàn)了電動車驅(qū)動電機控制試驗。試驗結果表明，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電動車驅(qū)動電機的控制，電機能夠很好的跟蹤控制器輸入的期望轉(zhuǎn)速，控制效果良好。

關鍵詞:驅(qū)動電機dSPACEDS1401ControlDesk

0引言

汽車電動化、智能化是當今汽車技術發(fā)展的必然趨勢[1]。電機作為電動車的驅(qū)動核心，其控制是電動車開發(fā)最為關鍵的技術之一。無刷直流電機(BLDCM)憑借其優(yōu)越的調(diào)速性能(易控制、寬調(diào)速范圍、大啟動轉(zhuǎn)矩、高效率等)成為了電動車驅(qū)動電機的首選[2]。但是無刷直流電機作為一個具有高階非線性、時變和強耦合等特性的系統(tǒng)，在仿真系統(tǒng)中要建立精確的數(shù)學模型比較困難[3-4]。在電機建模仿真過程中，在各種假設條件下建立簡化的數(shù)學模型，不夠精確的電機模型在電機傳動中會使誤差放大，導致控制精度進一步下降，給實際工程應用帶來不便。傳統(tǒng)的電機控制算法開發(fā)都是基于各種單片機[5-6]或者現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)[7]等工具，不僅需要大量的程序編寫，使得控制器的開發(fā)效率極度降低，而且需要進行電路開發(fā)及驅(qū)動檢測設計，大大增加了開發(fā)周期。再者，先進的控制算法由于其邏輯比較復雜，也無法在傳統(tǒng)單片機等硬件條件下進行驗證，加之電機自身建模簡化帶來的誤差，要精確驗證智能算法更加困難[8]。

在工程應用中，一要盡量避開系統(tǒng)復雜的數(shù)學模型，二要避免不斷修改程序等重復性工作。而半實物仿真系統(tǒng)恰好就可以解決這一系列的問題。半實物仿真分為快速控制原型(RCP)和硬件在環(huán)(HIL)兩種?？焖倏刂圃褪侵柑摂M控制器和實際的控制對象結合進行仿真，在電動車電機控制開發(fā)過程中，此種方法可以大大提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期[9-10]。dSPACE實時仿真系統(tǒng)是一套基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)與測試工作平臺，可與Matlab/Simulink無縫連接，并且其允許反復修改模型設計，進行離線實時仿真，在汽車開發(fā)中得到了大量應用。本文基于dSPACE快速控制原型進行了電動車驅(qū)動電機的控制，取得了良好的實驗結果。

1實驗平臺

快速控制原型實驗中，所需的dSPACE軟件由RTI(Real Time Interface，離線工具與實時工具的接口)和ControlDesk(測試和實驗軟件工具)兩大部分組成。首先在Matlab/Simulink中建立好控制模型，RTI連接dSPACE和Matlab/Simulink，再通過RTW擴展，把Simulink的控制模型自動下載至硬件中。模型下載至AutoBox后，在軟件ControlDesk中建立工程，雖然模型建立還是在Matlab/Simulink中進行，但是通過RTI實現(xiàn)然后下載至實時仿真硬件后，ControlDesk所建立工程便可以對硬件實時狀態(tài)進行圖形化管理、用戶虛擬儀表的建立、變量(參數(shù))的可視化管理、試驗過程自動化等功能。

圖1　基于dSPACE的半實物仿真平臺原理框圖

dSPACE硬件根據(jù)不同需求為單板系統(tǒng)和標準組件系統(tǒng)。本文使用的標準組件系統(tǒng)MicroAutoBoxII擁有全面的I/O資源，包括CAN， LIN， K/L line， FlexRay，Ethernet、旁路接口以及可編程FPGA 板卡的變體版本[10]?；赿SPACE的快速控制原型半實物仿真平臺原理框圖如圖1所示。

2驅(qū)動電機半實物仿真實驗設計

2.1電機控制結構框圖

dSPACE快速控制原型作為半實物仿真系統(tǒng)的一種，能給電機控制系統(tǒng)的開發(fā)中提供高效的硬件系統(tǒng)和足夠的軟件資源。在無刷直流電機控制系統(tǒng)建立的初級階段，PC機作為控制模型建立平臺和人機交互平臺，可以用于在線控制模型設計、下載以及仿真實驗，甚至進一步的代碼生成(dSPACE targetlink功能，本文未用到)。借助dSPACE軟件RTI及ControlDesk的功能，可以快速建立無刷直流電機的控制系統(tǒng)快速控制原型模型，并對整個系統(tǒng)進行多次離線及在線實時試驗，來驗證控制算法模型及所選取軟、硬件的可行性。如圖2所示的半實物仿真電機控制結構框圖，物理設備以實物形式出現(xiàn)在閉環(huán)里， 由電機、電機驅(qū)動板、變速機構等組成，省去了復雜的建模過程。

圖2　半實物仿真結構框圖

2.2快速控制原型系統(tǒng)設計

基于dSPACE對電動車的無刷直流驅(qū)動電機設計了快速控制原型控制系統(tǒng)，定義了各功能模塊，分別是信號采集模塊、轉(zhuǎn)速測量模塊、換向、使能模塊以及速度控制模塊等，并通過dSPACE/RTI設計了上述四個數(shù)字模型與外部硬件實物的接口。

信號采集、轉(zhuǎn)速測量模塊如圖3所示。信號采集模塊能夠?qū)⒉杉降奈锢硇盘柦?jīng)過A/D轉(zhuǎn)化，輸出為數(shù)字信號。驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速測量模塊在本研究中被應用于獲取經(jīng)編碼器輸出的方波信號，從而計算出電動車驅(qū)動電機實時的轉(zhuǎn)速。

圖3　信號采集和轉(zhuǎn)速測量模塊

圖4　換向與使能模塊

換向與使能模塊如圖4所示。該模塊提供使用數(shù)字輸出的通道方式寫入，實時改變驅(qū)動電機的工作狀態(tài)。該模塊有兩個模式，第一個模式為0，表示電機正轉(zhuǎn)或停止；第二個模式為1，表示電機反轉(zhuǎn)或啟動。

如圖5所示，速度控制模塊對指定的PWM輸出通道更新PWM周期和占空比；占空比的范圍在0～100%，通過設置占空比的值來得到電機相應的轉(zhuǎn)速。我們設定電動車期望的車速，經(jīng)過主減速器和差速器等動力傳遞得到如圖6所示的電動車驅(qū)動電機輸出期望轉(zhuǎn)速，從而得到驅(qū)動電機所需要的占空比。

圖5　速度控制模塊

圖6　控制器輸出的期望驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速

當dSPACE與PC中的Matlab/Simulink建立連接后，選擇了RTI實時接口庫中的信號采集模塊、驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速測量模塊、換向與使能模塊和速度控制模塊來建立PWM生成模型、測速模型、換向與啟停模型以及速度控制模型。模塊輸出與硬件端口對應關系如表1所示。將MicroAutoBoxII硬件接口與相應的物理硬件接口相連，從而完成如圖7所示的整個半實物仿真實驗平臺的設計。

表1　硬件接口

圖7　半實物仿真平臺

3實驗結果與分析

在PC機中的Matlab/Simulink中建立控制模型后，通過RTI與Matlab實時工作空間RTW實現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE實時硬件代碼自動下載，并自動在DS1401組板系統(tǒng)中執(zhí)行。通過綜合實驗軟件ControlDesk可以實現(xiàn)對實時硬件的圖形化管理，建立用戶虛擬儀表，實現(xiàn)變量和參數(shù)的可視化、試驗數(shù)據(jù)采集以及試驗過程自動化管理。圖8顯示的為電機控制在ControlDesk中實時工作界面。可以在電機工作的同時改變輸入占空比，換向以及目標速度等參數(shù)，并且實時獲得驅(qū)動電機速度響應曲線。

圖8　ControlDesk虛擬儀表測試界面

如圖9所示為電機響應期望轉(zhuǎn)矩跟隨曲線。圖10為電機實際轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速誤差，可知電機在恒定轉(zhuǎn)速時能夠保持較小的誤差；在電機轉(zhuǎn)速突然升高或降低時，誤差會產(chǎn)生一定的波動。當電機由低轉(zhuǎn)速升高時，可得到誤差在9%左右，這是由于傳感器在低速精度不高引起的。在電機由高轉(zhuǎn)速下降時，電機轉(zhuǎn)速誤差保持在5%以內(nèi)，取得了較好的控制效果。通過對直流電機進行脈寬調(diào)制，實現(xiàn)了對電動機輸出轉(zhuǎn)速進行的有效的控制。

圖10　驅(qū)動電機期望速度與實時速度誤差

4結論

基于dSPACE的半實物仿真控制技術，搭建了驅(qū)動電機半實物仿真實驗平臺，開展了驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速控制實驗，取得了良好的控制效果。該實驗平臺通過dSPACE系統(tǒng)與Matlab/Simulink的無縫連接，在Matlab中搭建控制模型，實現(xiàn)控制參數(shù)的實時調(diào)整，并能夠方便的觀測和驗證控制算法的控制效果，從而提高控制系統(tǒng)設計質(zhì)量與效率。本工作研究的快速控制原型半實物仿真技術，可以為下一步電動車的實車控制研究打下基礎。

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中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)03-0001-04

基金項目：國家自然科學基金項目：面向多目標的智能車輛隊列縱向與橫向控制方法研究(61164007)；貴州省重大科技專項計劃項目：車用發(fā)動機熱交換系統(tǒng)關鍵技術研究與產(chǎn)業(yè)化，黔科合重大專項字(2014)6004。

作者簡介：王建強(1989-)，男，現(xiàn)為貴州大學機械工程學院車輛工程專業(yè)碩士生，主要從事智能交通系統(tǒng)方向的研究。

通訊作者：趙津(1973-)，男，2010年畢業(yè)于法國里爾中央理工大學自動控制專業(yè)，獲得博士學位，教授，主要從事汽車動力學、智能交通系統(tǒng)方向的研究。

收稿日期：2015-11-26

Driving motor control based on dSPACE rapid control prototyping

WANG Jianqiang, ZHAO Jin, NING Youjiang

Abstract:The semi-physical simulation technology RCP((Rapid Control Prototyping) provides a convenient method for the development of control systems and controller simulation tests. It also allows researchers to develop control algorithms and carry out simulation tests more efficiently. We established a real-time semi-physical simulation platform by RCP based on dSPACE, and carried out control experiments on the driving motor for electric vehicle. The results showed that, the system controlled the driving motor successfully, and the motor was able to trace the expected speed input.

Keywords:driving motor; dSPACE; DS1401; ControlDesk