RTU 數(shù)字控制器簡介及應(yīng)用淺析

孔晨，傅平

（溫州大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，浙江溫州，325035）

0 引言

傳統(tǒng)的電機控制策略方法通常是基于dSPACE 或單片機的軟件編程方法得以實現(xiàn)的。利用dSPACE 與 MATLAB/Simulink 可以實現(xiàn)無縫連接的優(yōu)勢，將離線仿真模型通過試驗進行快速驗證，提高電機控制系統(tǒng)開發(fā)效率，縮短項目開發(fā)周期[1]，但是dSPACE 設(shè)備較為昂貴，性價比略低，且當(dāng)要對dSPACE 系統(tǒng)擴展功能進行比較復(fù)雜的修改時，會對系統(tǒng)帶來一些影響；單片機具有低成本、體積小、低損耗等特點，在操作層面，單片機操作十分簡單，所以對操作者的能力沒有過于嚴格的要求，且具有極強的自適應(yīng)能力[2]。但存儲空間有限、一些功能需要靠擴展來完成，保護能力略差；而RTU 仿真平臺不但繼承了兩者的優(yōu)點，而且成本較低，提高了性價比及工作效率，廣泛應(yīng)用于電機控制等領(lǐng)域。

1 RTU 半實物仿真平臺

RTU 控制器由南京瑞途優(yōu)特信息科技有限公司開發(fā)，是一套基于Simulink 的控制系統(tǒng)開發(fā)、測試及半實物仿真的軟硬件工作平臺。RTU 數(shù)字控制器可以極大地提高系統(tǒng)的實時性與穩(wěn)定性，并且計算較為迅速、準確生成代碼、界面環(huán)境相對友好，其最顯著的特點就是無需手動編程就可以快速、有效地開發(fā)、調(diào)控復(fù)雜的控制算法。RTU 數(shù)字控制器的實物機箱如圖1 所示。

圖1 RTU 機箱

RTU 控制器的核心是RTU-BOX—實時數(shù)字控制系統(tǒng)，其具有高速的計算能力，豐富的輸入輸出接口；通過與Simulink 連接可以完成各種復(fù)雜算法的研究與開發(fā)，將搭建好的模型自動生成代碼并下載至硬件，通過與實物互連完成實驗驗證。

2 RTU 仿真平臺優(yōu)勢

RTU 仿真平臺具有較高的實用價值，性價比高，能夠更多地考慮實際問題。和DSP 相比，RTU 仿真平臺具有以下幾點優(yōu)勢：

（1）在硬件方面，此設(shè)備采用了DSP 與FPGA 的構(gòu)架，彌補了關(guān)于DSP 外設(shè)功能不足的缺陷，兩者相輔相成，具有更高的實用性。

（2）在軟件方面，RTU 仿真平臺在Simulink 中具有大量模型庫，操作簡單，為用戶提供了便捷性，提高了工程搭建的效率。

（3）代碼生成一鍵獲得，在Simulink 庫中的絕大部分模塊均支持代碼生成，只有極少數(shù)的模塊不具備代碼自動生成的功能，這解決了手動編程帶來的問題，大大提高了工作效率。

（4）使用RTU 數(shù)字控制器不需要用戶學(xué)習(xí)太多的軟件編程知識，只需要掌握關(guān)于MATLAB/Simulink 的使用方法即可，體現(xiàn)了大眾化的功能；并且使用RTU 數(shù)字控制器最大的優(yōu)點就是提升了工作效率、減少了研發(fā)周期。

3 硬件系統(tǒng)介紹

CPU 板為RTU 數(shù)字控制器的核心板卡，以DSP 和FPGA 為基本架構(gòu)，DSP 為主、FPGA 為輔，兩者配合工作，DSP 采用TI 公司的TMS320C28346，負責(zé)處理算法數(shù)據(jù)，但是因為DSP 的外設(shè)功能有限，需要FPGA 進行輔助拓展。CPU 板卡通過專用總線來控制其他的外設(shè)板，其板卡的通訊接口主要有 10M/100M 以太網(wǎng)ETHERNET、RS232、RS485 和CAN 接口。RTU 有兩個PWM 板卡槽位，均可插入PWM 板卡，一塊PWM 板卡共60 路PWM 輸出，PWM板輸出的高電平為5V。并且RTU 控制器還給用戶提供了其他板卡槽位，如模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡等等。

4 軟件系統(tǒng)介紹

RTU 數(shù)字控制器的軟件部分由集成開發(fā)環(huán)境RTUS（RtunitStudio）和RTU-Lib（Rtunit Lib）組成。

■4.1 集成開發(fā)環(huán)境RTUS

RTUS 負責(zé)管理工程，實現(xiàn)與Simulink 的連接，在此環(huán)境下，用戶可以對所建工程進行相關(guān)操作。在RTUS 中新建工程之后，可以在Simulink 中構(gòu)建模型，通過Simulink命令欄中的RtuBox 按鍵自動生成C 語言代碼，如果用戶需要對代碼進行修改，可以直接對所建模型進行修改，完畢后，再次點擊RtuBox 按鍵進行代碼自動生成。生成代碼之后，進入RTUS2020 的電腦軟件界面，進行編譯、下載，將代碼下載至RTU 數(shù)字控制器當(dāng)中，并且通過對RTU 數(shù)字控制器連接相關(guān)實物設(shè)備，實現(xiàn)半實物仿真。

并且在RTUS 環(huán)境中，還可以對其仿真結(jié)果進行可視化分析，可以通過觀察波形、導(dǎo)出數(shù)據(jù)等功能進行實時數(shù)據(jù)觀測與修改。

■4.2 RTU-Lib

RTU-Lib 是Simulink 中的功能模型庫，是在原庫基礎(chǔ)上的補充，并且還提供了常見的算法模型。模型庫Rtunit Lib 提供了系統(tǒng)中所有硬件資源的Simulink 封裝模塊[3]，能夠直接將硬件功能集成到 Simulink 中，方便搭建硬件控制模型。下面對一些常用庫進行簡單介紹。

（1）Common Lib

在此庫中主要包含常用的波形，如三角波、鋸齒波、正弦波等，其中，Triangle Wave 模塊還可根據(jù)用戶需要來形成所需的三角波；除波形模塊之外，還有PID 模塊，非常便于模型的搭建。

（2）Motor Lib

在此庫中常用的主要有Clark 變換與其逆變換、Park 變換與其逆變換，在進行模型搭建時均可直接調(diào)用，方便快捷。

（3）RTU BOX Lib

底層驅(qū)動靜態(tài)庫RTU BOX Lib 把所有具有硬件功能的函數(shù)進行了封裝，用戶可直接將其調(diào)用到模型當(dāng)中，使用過程非常便捷。此庫中的模塊種類十分豐富，其中主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、RS485 模塊、RS232 模塊以及encoder 模塊等，并且還包括可以稱為核心模塊的EPWM 模塊，用戶通過進行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，即可得到所需要的PWM 信號。

需注意的是，當(dāng)研究算法時，需要以下幾個步驟：(1)確定控制算法；(2)通過Simulink 來建立系統(tǒng)仿真模型；(3)自動生成代碼；(4)將代碼下載入系統(tǒng)，在線調(diào)試參數(shù)，完成算法的驗證。軟件工作流程圖[4]如圖2 所示。

圖2 軟件工作流程圖

5 搭建EPWM 模塊實現(xiàn)信號輸出

通過以輸出PWM 脈沖信號為具體實例對RTU 設(shè)備的應(yīng)用進行更為清晰的闡述。模型搭建均是在simulink 環(huán)境下進行的，要實現(xiàn)PWM 信號的輸出，首先應(yīng)對庫中的EPWM 模塊進行相關(guān)介紹與設(shè)置。

與EPWM 相關(guān)的模塊還有EPWM_FPC 模塊、EPWM Control 模塊等，均是在EPWM 模塊的基礎(chǔ)上進行的，本文所選用的模塊為普通EPWM 型模塊，EPWM 模塊參數(shù)設(shè)置環(huán)境如圖3 所示。

圖3 EPWM 模塊設(shè)置

EPWM 模塊產(chǎn)生的PWM 波，從1-6 共六個單元，每個單元輸出兩路PWM 信號：PWMA 和PWMB。

PWM 的模式（Mode）選項分為Single Pwm Output—非互補輸出（A 和B 通道互不影響）和Complimentary Singal Output—A/B 通道互補輸出，若選擇Single Pwm Output 選項，則需要選擇相應(yīng)的通道，若選擇Complimentary Singal Output 選項，則需要輸入死區(qū)時間。

PWM Channel 選項可選擇1-6 單元。

PWM 的通道選項分為EPWMA、EPWMB、EPWMA AND EPWMB。

PWM 的載波類型（Carrier type）分為Sawtooth、Invsawtooth 和Triangle 三種類型，可根據(jù)需要自行選擇。

PWM 的相位設(shè)置，相位角度設(shè)置是指不同的 EPWM 單元之間載波的相位差，因此PWM 之間會產(chǎn)生相應(yīng)的相位差。將Phase Enable 設(shè)置為ON 即可進行PWM 的信號初相位設(shè)置，輸入從0～1 的數(shù)值對應(yīng)表示0°～360°的度數(shù)大小。

PWM 的頻率設(shè)置，分為Dialog 和Input Port 選項，當(dāng)選擇Dialog 選擇時，即可設(shè)置所需的頻率初始值，當(dāng)選擇Input Port 選項時，通過與Variable 變量模塊的連接，頻率作為可變變量輸入EPWM 模塊，如圖4 所示。EPWM 模塊的頻率范圍大小為100Hz～100kHz，這里的頻率選項設(shè)置建議與模型的控制頻率保持一致。

圖4 選擇Input Port 選項時的EPWM 模塊

PWM 的占空比設(shè)置，其單位為百分比（Percentages）和時鐘周期數(shù)（Clock cycles）兩個選項，根據(jù)輸入從0-1的數(shù)值，表示占空比在一個周期內(nèi)初始值所占比例大小；當(dāng)占空比單位選擇百分比時，其輸入類型為float 型，當(dāng)占空比單位選擇時鐘周期數(shù)時，其輸入類型為unit16 型。

PWM 同步方式（Synchronization Output）分為禁用同步信號、同步信號輸出為模型輸入的信號、同步輸出信號至CTR=ZERO 三種情況，可以根據(jù)需要選擇合適的選項。

6 通過RTU 設(shè)備獲得信號輸出

通過前文對EPWM 模塊的介紹，明確了該模塊的使用方法，然后使用RTU 數(shù)字控制器來實現(xiàn)PWM 波的輸出，此PWM 信號用于超聲波電機驅(qū)動電路的開關(guān)管脈沖信號。

該驅(qū)動電路的操作對象為日本新生工業(yè)公司的USM60型號的行波型超聲電機，三相全橋逆變電路作為其驅(qū)動電路，通過給定相應(yīng)的PWM 信號，來生成超聲波電機需的驅(qū)動信號；由六只功率開關(guān)管組成三相橋式電路，此電路是基于半橋和全橋電路上的革新[5]，兼顧全橋和半橋兩者的優(yōu)勢。下面通過模型搭建實例來得到相應(yīng)的PWM 脈沖信號。

以超聲波電機A 相為例，三相橋式逆變電路的S1-S4功率開關(guān)管負責(zé)控制超聲電機的A 相，電機的驅(qū)動頻率約為40kHz，四只功率開關(guān)管的計劃波形如圖5 所示，由于是全橋逆變電路，所以應(yīng)避免出現(xiàn)直通現(xiàn)象。

圖5 開關(guān)管時序圖

進入Rtunit Studio2020 軟件，點擊所建工程中的Logic 模型，進入Simulink 的Function-Call Subsystem編輯模型，進行模型的搭建與設(shè)置，將EPWM 模塊拖入，模式設(shè)置為非互補輸出，四個EPWM 模塊的PWM 單元分別選擇1-4，通道選擇A 通道，載波選擇鋸齒波，根據(jù)圖5 所示的時序圖，分別設(shè)置各自信號的初相位，因行波型超聲波電機的驅(qū)動頻率[6]約為40kHz，故頻率選項設(shè)置為40000，占空比初值可暫設(shè)為0.3，通過添加變量模塊可以實時修改占空比。

圖6 左側(cè)的Variable 模塊即為變量模塊，用來觀察和修改工程中設(shè)置的變量，這里設(shè)置的變量為占空比；該模塊主要由以下六個部分組成：變量名稱、數(shù)據(jù)類型、變量類型、初始值、單位及注釋。其中，變量類型若設(shè)置為只讀類型，則只能在Rtunit Studio2020 中觀察，不能修改，相反，若要在軟件中可以修改變量值，則要設(shè)置為可讀寫類型。

圖6 simulink 環(huán)境下的模型搭建

模型搭建完成之后，點擊Simulink 界面上方RtuBox的Code Generate 按鍵，自動生成C 代碼，此時進入Rtunit Studio2020，依次點擊菜單欄的編譯和下載按鍵（或直接點擊調(diào)試按鍵），燒入自動生成的C 語言代碼，然后將輸出信號接至示波器，點擊菜單欄的在線按鍵，雙擊左側(cè)Variants 圖標，即可在線修改占空比的大小，并且在示波器中實時顯示。如圖7 所示，示波器所示波形從上到下依次為功率開關(guān)管S1～S4 的PWM 信號波形。

7 結(jié)語

本文以詳細介紹RTU 數(shù)字控制器為主線，介紹了該設(shè)備的軟件和硬件兩大方面，并系統(tǒng)闡述了RTU 數(shù)字控制器的優(yōu)勢所在，同時以四路PWM 信號輸出為例，通過模塊搭建、代碼生成等實際操作對該設(shè)備的使用方法進行了相關(guān)敘述。從而可以表明，RTU 數(shù)字控制器具有無需手動編程、調(diào)試過程簡單、減少開發(fā)時間等優(yōu)勢，并且能將這種優(yōu)勢運用到實際工作當(dāng)中，極大地提高了工作效率，有效地降低研發(fā)周期與投入成本。目前各研究領(lǐng)域在不斷地追求快捷高效的主旋律下，RTU 數(shù)字控制器具有非常光明的發(fā)展前景。