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[摘 要]电机的数学模型一般较复杂，离线仿真出来的算法在实际应用中较难得到理想的结果。利用dSPACE 与Simulink 无缝连接技术，可以实现离线仿真到半实物仿真的快速过渡，提高运动控制系统研究工作的效率。 本文介绍了dSPACE 的软硬件环境，借助计算机辅助设计手段，组建了一套基于dSPACE 的合适功率等级的电机控制系统，进而确定控制系统中电机的驱动控制策略和有关控制参数，验证了dSPACE半实物仿真平台的高效性.
[关键词]dSPACE，电机控制平台，半实物仿真
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0127-01
电机的数学模型一般是高阶、非线性的多变量系统，离线仿真得到的控制算法在实际应用中不容易取得理想效果，而在采用单片机或DSP的硬件环境中开发运动控制系统需要手工编程，工作量大、不灵活、开发效率低。dSPACE（ digital Signal Processing and Control Engineering）是一套基于Matlab /Simulink的半实物仿真平台，它由硬件系统和软件环境两部分组成。将dSPACE用在运动控制系统的开发研究中，可以实现快速控制原型RTP（Rapid Control Protocol）驱动实际永磁同步电机进行硬件在环仿真，并能灵活的完成算法的调试和更改，具有很高的效率。
1 永磁同步电机控制平台的总体规划
永磁电机试验台包括电机安装平台、永磁同步电机（被测电机）、异步电机（陪测电机）、通用IGBT 模块、dSPACE、计算机、转矩转速传感器、转矩转速测量仪（二次仪表）、光电码盘2个（被测电机和陪测电机各一个）、控制柜、操作台、数据采集控制电脑、数采板卡与调理、整流逆变、能量回馈和风冷系统组成。其中永磁同步电机、转矩传感器、异步电机以及编码器同轴安装在电机安装平台上，被试侧和陪试侧各自组成相对独立的系统，进行控制、采集和显示。硬件系统结构如图1所示。
2 转接电路板设计
转接电路板是整个控制系统的关键，参考图2，它向上与dSPACE进行信号交换，向下与主板进行信号交换，主板主要实现功率驱动作用。转接电路板应该具备以下主要功能：
1） 设计双电源变换模块，可选择用dSPACE或外部电源为此电路板及传感器供电；
2） 实现dSPACE与电机驱动主板的信号连接；
3） 对dSPACE输出信号进行调理。dSPACE的PWM输出口是高电平有效，且上电便为有效电平，若这样直接驱动IGBT便会出现直通而烧掉驱动模块；
4） 对电机电流、转速及IGBT直流母线电压进行检测和调理；
5） 产生过流、过压、欠压等故障信号，并对故障信号进行硬件响应及锁存上报。
根据上述功能要求，本文在设计时使用模块化的设计方法，即把电路划分为各功能块分别予以实现，这样可使转接电路更加条理化，具有更高的维护性。转接电路分为：信号检测调理功能块、PWM 输出功能块、电源功能块、dSPACE信号交换功能块、故障信号产生功能块及信号锁存上报功能块。从总的角度来看，这些功能模块可分为模拟和数字块，模拟块主要包括电流电压的检测处理部分，数字块主要实现故障信号锁存上报及PWM 信号处理等功能。
控制系统采用霍尔传感器检测电压、电流，采用增量式光电编码器检测转速。 转接板对电流、电压信号的调理是实现放大、偏置、滤波和钳位； 故障信号的产生通过比较器实现，电路设计相对较为简单。故障信号响应及锁存上报决定了整个控制系统的可靠性和容错性。
3 永磁同步电机雙闭环矢量控制
由于没有直轴电流，电机没有直轴电枢反应，不会使永磁体退磁，电机的所有电流均用来产生电磁力矩，电流控制效率高。永磁同步电机双闭环矢量控制模型如图2所示。其外环为速度环，实际转速与给定转速的差值经过PI调节器，作为内环（电流环）的给定。内环分为直轴电流和交轴电流，他们的差值经过PI调节器，就变成直轴电压和交轴电压。然后经过，逆PARK变换，变成静止坐标系下的电压，送入SVPWM模块，输出三相桥式电路的开关信号，来控制电机。
4 结论
永磁同步电机速度环矢量控制模型的转速仿真波形如图 3所示，电流环PI调节器参数KP为20，KI为3。速度环PI调节器参数KP为200，KI为0.3。在0s突加3000rpm，带载起动，起动转矩30N.m；在0.1s突然加载，从30 N.m变到57.3 N.m。从图4中可以看出，电机可以带载起动到3000rpm，且速度很快，这个主要依据速度环的PI调节器来控制。当突加负载后，电机转速就有一点下降，但是它能够立即回到3000 rpm，说明控制系统的动态性能优越。而且稳态误差也很小，说明PI调节器的I参数选择合适。
资助项目：国内访问学者项目（FX2013197），国家大学生创新项目（201411488007），浙江省教育厅科研（Y201329552）。
参考文献
[1]王广玮，dSPACE快速控制原型技术在无刷直流电动机控制中的应用[J].现代制造工程，2015（01）.
[关键词]dSPACE，电机控制平台，半实物仿真
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0127-01
电机的数学模型一般是高阶、非线性的多变量系统，离线仿真得到的控制算法在实际应用中不容易取得理想效果，而在采用单片机或DSP的硬件环境中开发运动控制系统需要手工编程，工作量大、不灵活、开发效率低。dSPACE（ digital Signal Processing and Control Engineering）是一套基于Matlab /Simulink的半实物仿真平台，它由硬件系统和软件环境两部分组成。将dSPACE用在运动控制系统的开发研究中，可以实现快速控制原型RTP（Rapid Control Protocol）驱动实际永磁同步电机进行硬件在环仿真，并能灵活的完成算法的调试和更改，具有很高的效率。
1 永磁同步电机控制平台的总体规划
永磁电机试验台包括电机安装平台、永磁同步电机（被测电机）、异步电机（陪测电机）、通用IGBT 模块、dSPACE、计算机、转矩转速传感器、转矩转速测量仪（二次仪表）、光电码盘2个（被测电机和陪测电机各一个）、控制柜、操作台、数据采集控制电脑、数采板卡与调理、整流逆变、能量回馈和风冷系统组成。其中永磁同步电机、转矩传感器、异步电机以及编码器同轴安装在电机安装平台上，被试侧和陪试侧各自组成相对独立的系统，进行控制、采集和显示。硬件系统结构如图1所示。
2 转接电路板设计
转接电路板是整个控制系统的关键，参考图2，它向上与dSPACE进行信号交换，向下与主板进行信号交换，主板主要实现功率驱动作用。转接电路板应该具备以下主要功能：
1） 设计双电源变换模块，可选择用dSPACE或外部电源为此电路板及传感器供电；
2） 实现dSPACE与电机驱动主板的信号连接；
3） 对dSPACE输出信号进行调理。dSPACE的PWM输出口是高电平有效，且上电便为有效电平，若这样直接驱动IGBT便会出现直通而烧掉驱动模块；
4） 对电机电流、转速及IGBT直流母线电压进行检测和调理；
5） 产生过流、过压、欠压等故障信号，并对故障信号进行硬件响应及锁存上报。
根据上述功能要求，本文在设计时使用模块化的设计方法，即把电路划分为各功能块分别予以实现，这样可使转接电路更加条理化，具有更高的维护性。转接电路分为：信号检测调理功能块、PWM 输出功能块、电源功能块、dSPACE信号交换功能块、故障信号产生功能块及信号锁存上报功能块。从总的角度来看，这些功能模块可分为模拟和数字块，模拟块主要包括电流电压的检测处理部分，数字块主要实现故障信号锁存上报及PWM 信号处理等功能。
控制系统采用霍尔传感器检测电压、电流，采用增量式光电编码器检测转速。 转接板对电流、电压信号的调理是实现放大、偏置、滤波和钳位； 故障信号的产生通过比较器实现，电路设计相对较为简单。故障信号响应及锁存上报决定了整个控制系统的可靠性和容错性。
3 永磁同步电机雙闭环矢量控制
由于没有直轴电流，电机没有直轴电枢反应，不会使永磁体退磁，电机的所有电流均用来产生电磁力矩，电流控制效率高。永磁同步电机双闭环矢量控制模型如图2所示。其外环为速度环，实际转速与给定转速的差值经过PI调节器，作为内环（电流环）的给定。内环分为直轴电流和交轴电流，他们的差值经过PI调节器，就变成直轴电压和交轴电压。然后经过，逆PARK变换，变成静止坐标系下的电压，送入SVPWM模块，输出三相桥式电路的开关信号，来控制电机。
4 结论
永磁同步电机速度环矢量控制模型的转速仿真波形如图 3所示，电流环PI调节器参数KP为20，KI为3。速度环PI调节器参数KP为200，KI为0.3。在0s突加3000rpm，带载起动，起动转矩30N.m；在0.1s突然加载，从30 N.m变到57.3 N.m。从图4中可以看出，电机可以带载起动到3000rpm，且速度很快，这个主要依据速度环的PI调节器来控制。当突加负载后，电机转速就有一点下降，但是它能够立即回到3000 rpm，说明控制系统的动态性能优越。而且稳态误差也很小，说明PI调节器的I参数选择合适。
资助项目：国内访问学者项目（FX2013197），国家大学生创新项目（201411488007），浙江省教育厅科研（Y201329552）。
参考文献
[1]王广玮，dSPACE快速控制原型技术在无刷直流电动机控制中的应用[J].现代制造工程，2015（01）.