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實時仿真技術在運動控制系統中的應用

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3421

   摘要:實時仿真技術ar以在不需要控制器原型參與的條件下完成控制算法的性能評估,dSPACE系統是實時仿真技術研究的良好應用平臺,它提供了真正實時的控制方式以滿足不同系統的控制要求?;贛ATLAB/simulink建立了速度和電流雙閉環的永磁同步電動機直接轉矩控制的實時仿真控帶4模型。通過dSPACE實時仿真系統以及相應的功率驅動電路,實現了永磁同步電動機的運動控制,獲得了滿意的控制效果。

0引  言

   仿真是借助于計算機和其它相關的硬件設備,通過模型對系統進行研究的方法。實時仿真技術是在考慮實時仿真算法、仿真系統的時序、時間同步以及時間延遲和補償的基礎上對系統進行的動態仿真,它是模型系統在實際條件下實時運行的真實反映。與數字仿真相比,實時仿真的最大優勢在于設計的系統能夠直接作用于被控對象。由于被控對象直接參與驗證過程,立即就能夠對所設計系統的有效性進行評估。所以在一般的工業領域,采用實時仿真技術不但能夠大大地縮短系統研發周期,還能夠有效降低系統研發成本。

   在當今的自動化技術中,運動控制系統代表著用途最廣而又最復雜的任務。運動控制系統的發展能夠實現驅動控制功能的多樣化和復雜性,滿足不同的生產要求。而伺服控制技術是實現驅動控制功能的基礎與關鍵技術之一。永磁同步電動機交流伺服系統在技術上已趨于成熟,具有優良的低速性能,并可實現弱磁高速控制,拓寬廠系統調速的范圍,能夠適應高性能伺服驅動的要求。隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低,永磁電機在工業生產自動化領域中的應用越來越廣泛。

   本文研究基于dSPACE實時仿真系統的實時仿真技術的相關原理,并通過速度與電流雙閉環的永磁同步電動機直接轉矩控制實例來闡述實時仿真技術在運動控制系統中的應用原理。

1實時仿真技術分析

   應用實時仿真技術設計運動控制系統的方法如圖1所示。

    圖1應用實時仿真技術的控制系統設計流程

   根據給定系統的設計指標完成整個運動控制系統的數字仿真。當離線仿真獲得滿意結果后,將受控對象隔離出來,通過相應的接口模塊將控制器連接到實時仿真系統上進行有效性評估試驗。

   硬件在回路實時仿真技術是將基于不同算法的控制器用等效模型代替,電機、光電編碼器等與電機閉環控制相關的物理設備通過相應的硬件接口連接到實時仿真系統模型中,構成實時仿真控制系統。由于仿真系統替代了實際硬件控制系統,試驗過程具有多次可重復性。由于控制參數可以在線反復修正,控制器研發的可靠性將大幅提高。

   為了實現實時仿真,實時仿真系統的硬件和軟件都應具備實時性的特點。采用實時算法保證仿真模型與實際的控制器硬件系統的時間相匹配。對于運動控制系統的硬件在回路仿真而言,首先要求編碼器等速度反饋信號以及霍爾元件等電流電壓反饋信號能夠滿足實時性的要求,同時還必須要有能夠進行高速運算的工控機。因為接入實物,還必須具備高速的實時接口。針對不同的運動控制系統,實時仿真系統的功能必須能夠進行擴展和拆除。軟件算法除了要求滿足實時性以外,還必須保證一定的工程應用精度。

2實時仿真在運動控制中的應用

   運動控制系統是以機械運動的驅動設備(電動機)為控制對象,以控制器為核心,以電力電子、功率變換裝置為執行機構,在自動控制理論指導下的電氣傳動控制系統。運動控制系統主要包含三大部分:電動機、控制器以及功率驅動裝置。圖2給出了典型控制系統的結構圖。

   圖2運動控制系統的結構圖

   控制器根據給定量與實測量之間的偏差,通過一定的控制算法調節控制量。功率驅動裝置將控制量轉化為電能作用到電動機,電動機拖動負載進行機械運動。

   隨著電力電子技術的不斷進步,由數字通用變頻器構成的恒壓頻比的開環控制的運動控制系統得到了廣泛的應用。但因缺少必要的閉環,開環控制的精度以及可靠性都無法保證。為了實現系統的穩定、可靠和高精度,就需要采用閉環控制的運動控制系統。對于不同的運動控制系統,閉環模式各不相同??梢圆捎秒娏鳝h和速度環的雙閉環結構,實現速度的精確控制,也可以采用位置環、速度環和電流環的三閉環結構,實現位置的準確跟蹤。

   要實現運動控制系統的高性能控制,還必須采用先進的控制策略。當前采用的大部分閉環控制策略都是通過矢量控制或直接轉矩控制來實現電流向量的幅值和相位控制。

   實時仿真技術應用于運動控制系統的設計和開發是近幾年才發展起來的。因為它對計算機的運算速度和輸入輸出能力要求非常高。永磁同步電動機的交流伺服系統采用全數字化結構,控制算法相對復雜,控制方法也較多,這時就需要對控制算法的有效性進行評估。應用實時仿真技術就是一個有效的解決途徑。通過對運動控制系統進行實時仿真,可以立即得出控制性能的有效性評估,促進控制方法的改進。

3基于dSPACE系統的硬件在回路實時仿真

  dSPACE實時仿真系統足德國dSPACE公司開發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及測試的軟件和硬件工作平臺。dSPACE系統是硬件在回路實時仿真研究良好的應用平臺,它提供了真正實時的控制方式,允許用戶實時地調整控制器參數和運行環境,并提供多種參數顯示方式,滿足不同的需求。

   在控制器設計中,不僅支持Simulink模塊化的設計方法,針對多輸入多輸出復雜時變系統還提供基于多種語言的s—function的軟件設計方法,功強大,用戶可以根據控制器的特點靈活選用。

   本文主要研究基于dSPACE系統的硬件在回路實時仿真技術,被控對象為一臺三相永磁同步電動機樣機?;赿SPACE系統的硬件在回路實時仿真系統的組成如網3所示。

  圖3基于dSPACE系統的硬件在回路實時仿真平臺

   基于dSPACE系統的硬件在同路實時仿真平臺包括MATLAB/Sinlulink軟件環境、dSPACE實時仿真系統、各種功能接口、外部驅動電路和電機。首先在sirnulink中搭建包括電機在內的直接轉矩控制系統模型。通過Simulink數字仿真驗證控制算法的正確性。第二步是刪除電機等效模型,選擇實時接口(RTI)模塊,完成實時仿真控制系統建模。通過實時工作組(RTW)進行擴展,將實時仿真模型生成實時代碼,并自動編譯、連接、下載到實時硬件中。實時硬件與外部驅動電路連接,完成控制功能與反饋信號采集。ControlDesk提供對試驗過程的綜合管理,在線參數調整,建立用戶虛擬儀表以及實時觀測控制效果等功能。

   整流電路將輸入的工頻電壓轉換成直流電壓,經過濾波作為逆變器的直流母線電壓。通過dSPACE/DS4002PWM3一OUT模塊產生的PWM控制信號,經過光電隔離電路作為驅動板中逆變器的控制信號控制電動機運行。

4 dSPACE系統在運動控制系統中的應用舉例

   本文給出的永磁同步電動機運動控制系統采用速度環和電流環雙閉環的直接轉矩控制方法,整個運動控制系統框圖如圖4所示。

   圖4永磁同步電動機雙閉環直接轉矩控制系統

   速度反饋由增量式光電編碼器實現。dSPACE系統的DS3002接口板專門用于增量式編碼器信號輸入。通過DS3002/POS_B1_Cl模塊設置可以得到四倍頻的反饋脈沖信號。DS3002/POS_BI_C1模塊有兩個輸出:一個是以脈沖數表示的轉子位置信號:另一個是以轉子位置差表示的速度信號。由于轉子的初始位置可能是任意點,所以必須對轉子零位進行校準。通過DS3002/INDEX_BI_CI零位信號檢測模塊和DS3002/POS_B1_C1位置信號測量

模塊可以實現永磁同步電動機轉子初始位置校準和速度反饋。轉子初始位置信號校準子系統如圖5所示。

    圖5轉子初始位置信號校準子系統

   轉子速度測量子系統如圖6所示。通常實時仿真的時間步長可以在實時仿真系統硬件條件允許下取任意小。采樣時間則根據系統要求的精度,人為設置,最小為實時仿真的時間步長。由于采樣時間和實時仿真的時間步長不等長,實際的轉子速度是一段時間內轉子的平均速度。

    圖6轉子速度測量子系統

   霍爾傳感器采集到的電流信號經過信號調理電路將輸入的模擬信號轉化為±10 V的模擬電壓信號輸入DS2201/ADC_B1,實現A/D轉換。

   為了對運動控制系統的性能進行評估,可以利用Controldesk建立用戶虛擬儀表對控制參數進行實時檢測,如圖7所示。圖7中分別對三相永磁同步電動機運動控制系統的速度、速度差、轉矩信號、轉矩差、磁鏈信號和編碼器位置信號進行了實時觀測。為了保證得到圓形磁鏈,還對磁鏈信號進行了實時捕獲。圖7中給出的是永磁同步電動機給定轉速為150 r/min時的實時檢測和捕獲情況。

   圖7 Contmldesk實時數據檢測和捕獲界面

   捕獲后的磁鏈信號可以保存為二進制位文件,通過在MATLAB命令窗口導人該文件,就可以直接對一定時間段內實時采集到的磁鏈信號進行離線數據分析或繪圖。

   控制器參數的設定對控制器性能的影響至關重要。Controldesk支持兩種參數在線調節方式。對于少量參數的調節,可以通過使用不同儀表在線修改模型的參數;對于多參數的調節,Controldesk通過參數編輯器(Parameterditor)完成多參數值的在線修改,并可以通過dSPACE實時平臺讀取以及保存修改過的參數。

   圖8給出了當永磁同步電動機的轉速為200r/min時且空載情況下的速度和電流信號。

   從圖8給出的試驗波形可以看出,采用速度和電流雙閉環的永磁同步電動機直接轉矩控制系統速度平穩,電流波動不大,能夠滿足運動控制系統設計的要求。

 圖8    空載情況下直接轉矩控制的實驗波形

5結語  

運動控制系統是一門綜合多學科應用技術的復雜控制系統。要取得預期的運動效果,就必須對能量傳輸性能特別好的伺服電動機進行控制。永磁同步電動機交流伺服系統憑借其優越的性能廣泛應用于工業生產自動化領域中。

   永磁同步電動機伺服系統的控制算法相對復雜,而且控制方法也較多。這時就需要對控制算法的有效性進行評估。借助于實時仿真技術,在不需要控制器硬件系統參與的條件下,就能夠完成對控制算法有效性的驗證。這樣不僅能夠節約研發成系統的設計方法。實時仿真試驗結果表明,本文給出的運動控制系統的設計方法是可行的。dSPACE

實時仿真系統為新型運動控制系統的研發提供了良好的試驗平臺。

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