基于半實物仿真的電機控制實驗平臺設(shè)計

曹海洋 余志洪 蒯松巖

(中國礦業(yè)大學 電氣與動力工程學院， 徐州 221116)

傳統(tǒng)的教學實驗平臺要么只能實現(xiàn)簡單的PID控制[1]，要么是采用單片機或DSP的電機控制系統(tǒng)，需要編寫復(fù)雜的程序，本科生很難在有限課時內(nèi)掌握。對于研究生而言,開發(fā)速度非常緩慢，采用半實物仿真的方式能大大提高效率。傳統(tǒng)的半實物仿真多采用DSPACE等[2]，但其使用方法較復(fù)雜，且設(shè)備昂貴，不適合用于教學環(huán)節(jié)。本文所設(shè)計的異步電機控制半實物仿真實驗，將模型設(shè)計思想引入電機控制中，可以提高系統(tǒng)開發(fā)效率，并能以圖形化模型和友好化界面高效地實現(xiàn)對算法的調(diào)整測試和電機的實時監(jiān)測控制。實驗平臺容易學習使用，且成本低，在本科教學和研究生培養(yǎng)中都可以較好地推廣[3]。

1 實驗平臺

基于半實物仿真的異步電機實時運動控制系統(tǒng)實驗平臺如圖1所示，實驗平臺主要包括三個部分： PC主機、DSP控制板和逆變器異步電機。

圖1 實時運動控制系統(tǒng)的實驗平臺硬件結(jié)構(gòu)圖

1) 主機

主機部分中，Matlab通過自動調(diào)用CCS軟件，以實現(xiàn)Matlab的RTW功能[4]，根據(jù)算法仿真模型自動生成DSP可執(zhí)行的程序代碼，并編譯下載至DSP目標板中，執(zhí)行對應(yīng)的控制功能。與此同時，硬件的反饋信息也通過DSP返回至Matlab主機中，完成觀測功能。本平臺的通用性也主要在該部分中得以體現(xiàn)，一旦平臺搭建完成，那么對應(yīng)與不同的控制算法，只需要在Matlab/Simulink中修改仿真模型，硬件部分無需任何改動，一鍵編譯下載即可實現(xiàn)對控制算法的硬件半實物仿真。另外，本平臺的實時性體現(xiàn)在PC機可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)測。

2)DSP控制板

DSP目標板是電機運動控制系統(tǒng)中所不可或缺的部分，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)就是直接通過DSP目標板運行程序控制電機[5]。由圖1可以看出，本平臺構(gòu)建中，主要使用了2812 DSP的以下幾個模塊：SCI、QEP、ADC、PWM。這些模塊的設(shè)置在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中需要手工編寫程序代碼進行初始化及功能控制。在本平臺中可以簡便地通過在Matlab/Simulink的仿真模型界面上，經(jīng)由對應(yīng)外設(shè)模塊的參數(shù)對話框設(shè)置，這也是本平臺的一大特色。

3)逆變器及電機

這部分是控制平臺的硬件基礎(chǔ)，是實現(xiàn)控制算法的載體[6]。在實物硬件實驗中，出于安全因素，應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的電流電壓等保護措施。本平臺該部分直接采用的EL-DSPMCKV DSP電機控制實驗開發(fā)套件，直接集成各種功率保護方式。半實物運動控制系統(tǒng)整體的實驗平臺如圖2所示：

圖2 平臺實物圖

電機通過各電纜線與驅(qū)動器和控制板相連，與電機同軸的磁粉制動器和一個配套的恒流源控制器共同為電機提供負載，如圖3所示。制動器連接到機組中，通過電纜與恒流源控制器相連，恒流源控制器集成在驅(qū)動器中。磁粉制動器通過磁粉勵磁硬化提供扭矩，其大小與電磁線圈的激勵電流成正比例關(guān)系，因此改變磁粉制動器輸入電流就可以平滑地調(diào)節(jié)輸出期望的負載轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)速度較快。

圖3 三相交流異步電機機組圖片

本平臺所控制的異步電機的主要參數(shù)如表1、表2所示：

表1 三相交流異步電機參數(shù)

表2 歐姆龍增量式光電編碼器參數(shù)

2 運動控制半實物仿真

該實驗平臺可以實現(xiàn)多種控制，如直接轉(zhuǎn)矩控制，矢量控制等，現(xiàn)在以矢量控制為例來說明。

2.1 矢量控制半實物仿真

矢量變換的思想是將具有高階、多變量、強耦合性質(zhì)的非線性異步電機模型等效為直流電機模型，仿照直流電機的控制方法[7]。圖4為理想矢量控制原理結(jié)構(gòu)圖：

通過坐標變換，將異步電動機的轉(zhuǎn)子磁鏈定向并且同步到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中，得到的是等效直流電動機模型，然后按照對直流電動機的控制方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，再將控制量反變換變成三相靜止坐標系下的控制量，對電機運動進行控制[8]。

圖4 矢量控制原理結(jié)構(gòu)圖

2.2 基于DMC庫的矢量控制算法模型

為了與實驗平臺中DSP芯片的32位定點計算相匹配，需要將Matlab中搭建的理想仿真模型進行改造。首先構(gòu)建以DMC庫元件為基礎(chǔ)的離線仿真模型，然后將離線仿真模型進一步修改為離散化控制系統(tǒng)，進而實現(xiàn)異步電機矢量控制，為下一步DSP半實物仿真做好數(shù)字基礎(chǔ)。該數(shù)字離散化仿真包括IQ格式處理，磁鏈角度離散化計算，內(nèi)外環(huán)采樣速率匹配調(diào)整等，如圖5所示。

圖5 基于DMC庫的矢量控制算法模型

在離散模型中，采用了三個調(diào)節(jié)器，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、磁鏈分量電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩分量電流調(diào)節(jié)器。磁鏈部分，直接給定磁鏈分量電流，在磁鏈觀測模塊中采用PARK變換計算所需的磁鏈轉(zhuǎn)角。

基于DMC庫的離線仿真模型采用矢量控制算法時，在空載和突加負載時仿真結(jié)果如圖6和圖7所示:

(1)空載情況下，n給定為0.3，給定為0.33，實際轉(zhuǎn)速為446 r/min。

(2)帶載時，轉(zhuǎn)速給定不變，在T=5 s時加入一個轉(zhuǎn)矩大小為1 Nm的負載。

由響應(yīng)波形可以驗證，本模型在空載和加載時，均滿足控制系統(tǒng)要求，轉(zhuǎn)速及磁鏈能夠快速跟隨給定，并且在突加負載之后具有一定的抗擾能力?？蛰d時，電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在446 r/min，轉(zhuǎn)矩輸出為0；在T=5 s時突加負載，電機轉(zhuǎn)數(shù)突然降低，又迅速恢復(fù)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速446 r/min，負載轉(zhuǎn)矩由0上升到2.5 Nm，電流值及轉(zhuǎn)矩值都限幅在電機可承受范圍內(nèi)。

(a)空載轉(zhuǎn)速響應(yīng)

(b)空載轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

(c)空載電流響圖6 空載情況下仿真結(jié)果圖

(a)突加負載的轉(zhuǎn)速響應(yīng)

(b)突加負載轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖7 負載情況下仿真結(jié)果圖

3 實時運動控制平臺驗證

在驗證基于DMC離線仿真模型正確的基礎(chǔ)上，要實現(xiàn)對電機進行實時控制還需要對DSP端模型與主機端模型中相關(guān)串口通信模塊進行設(shè)置，實現(xiàn)串口通信前的最后一步設(shè)置就是PC的硬件連接設(shè)置。本實驗平臺中使用的是COM3口，波特率設(shè)置為115200 Bps。設(shè)置完成后，用數(shù)據(jù)線連接主機與DSP的串口后即可進行通信測試[9]。

其工作流程如圖8所示。

圖8 平臺工作流程圖

首先打開Matlab/Simulink，運行已設(shè)置好的DSP外設(shè)模塊的仿真模型，點擊編譯按鈕。此時Matlab會自動連接CCS，執(zhí)行RTW功能，自動將算法模型轉(zhuǎn)換成優(yōu)化后的程序代碼，并通過仿真器下載至DSP程序中[10]。程序下載完成后，系統(tǒng)會進行軟硬件的調(diào)試檢測，當調(diào)試通過后，程序會自動開始運行。與此同時，平臺需要手動打開GUI觀測界面，GUI界面相當于上層界面調(diào)用了主機端通信模型，并運行了主機端模型。這個時候，開啟電機運行的主電源，那么電機就會在DSP程序的控制下，按照控制系統(tǒng)要求進行運行，運行的同時，電機反饋信號及上位機的給定信號會通過串口完成實時通信，以達到整個運動控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制及實時觀測功能[11]。圖9是基于GUI的實時運行監(jiān)測界面。

GUI界面觀測圖形中，左側(cè)觀測框中采集電機轉(zhuǎn)速和電流波形，右側(cè)前兩項設(shè)置分別為上位機觀測模型文件名稱和上位機實時仿真運行時間，第三項為速度給定(標幺形式，則給定范圍是-1～1)，右下方兩個按鍵控制實時仿真啟動和仿真停止。由于實際運行的安全考慮，限幅模塊限速最大值為300 r/min,異步電機啟動和給300 r/min轉(zhuǎn)速的觀測波形如圖9所示。異步電機空載啟動轉(zhuǎn)速能夠達到平衡，并且超調(diào)較小，波形除了上升時間較慢之外，參照理想控制效果的轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形，已經(jīng)較為理想，較好滿足了控制效果。在GUI界面對給定轉(zhuǎn)速進行改變，可以觀測到轉(zhuǎn)速波形有著明顯的響應(yīng)，與控制設(shè)定的轉(zhuǎn)速基本一致。在GUI界面加入負載，轉(zhuǎn)速迅速下降，并且慢慢恢復(fù)到原來的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，證明控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力。

(a)啟動階段

(b) 穩(wěn)定階段波形圖9 基于GUI的實時運行監(jiān)測界面

4 結(jié)語

本文在Matlab/RTW功能下，先是驗證了控制模型在離線仿真上的可行性，選用通用性較高的三相異步電動機作為控制對象。然后通過矢量控制模型系統(tǒng)的實時運動平臺的搭建，通過GUI界面波形與理想模型波形的對比，驗證Matlab/RTW在研究開發(fā)控制領(lǐng)域的現(xiàn)實意義，平臺對電氣專業(yè)的本科生和研究生實驗教學有著非常好的支撐作用。