电气传动系统的实时仿真技术

1、课程答题册姓学名号科目2012201450电气传动系统的实时仿真技术095073课程2013.7.2日期西北工业大学院得 分：目录引言1实时仿真简介1dSPACE 系统的开发背景2dSPACE 系统的介绍31.3.1 dSPACE 系统的环境31.3.2 dSPACE 系统的硬件结构4dSPACE 系统的优点及应用4基于 dSPACE 的控制系统开发步骤5dSPACE 系统硬件使用方法5dSPACE 板卡介绍7DS1005 PPC Board7DS2001 High-Speed A/D Board7DS2002/DS2003 Multi-Channel A/D Board7DS2102 Hig

2、h-Resolution D/A Board82.5 DS3002 Incremental Encodererfac82.6 CP4002 Timing and Digital Board93 S开关管控制信号实验10离线仿真模型10输入/输出口（I/O）接入13RTW build14dSPACE 综合实验和测试154 SV4.14.2开关管控制信号实验17离线仿真模型20输入/输出口（I/O）接入28RTW build29dSPACE 综合实验和测试295 分析与总结31参考文献32基于 dSPACE 的 S和 SV波形生成方法研究摘要：本文首先简要介绍了实时仿真技术，对 dSPACE 仿真

3、的开发背景、环境、硬件结构、优点与应用范围以及开发步骤进行了概述，并对 dSPACE 系统中使用的部分板卡的功能与组成进行了详细的介绍；然后，针对电机控制过程中经常使用的 S和 SV两种调制方式进行了详细的理论分析，在此基础上，提出了能与 dSPACE 系统接口的 S和 SV波形生成方法，并利用/对两种调制方式进行了离线建模与仿真；接下来，用 RTI 库中的实时测试 I/O 替换原来的逻辑连接关系，利用 RTW build将模型为实时仿真机上可运行的程序；最后，利用 dSPACE 提供的ControlDesk 对实时仿真数据进行获取、并进行仿真，同时，使用示波器对 CP4002 模块输出的波形

4、进行和SV了测量。从实验结果可以看出仿真结果与离线仿真结果一致，生成了S波形，表明了本文所提出方法的可行性与有效性。关键字：实时仿真，dSPA，SV1 引言1.1 实时仿真简介1961 年 G. W. Menthler 首次对仿真一词作了技术上的解释，认为“仿真”是指在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。当前仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和为基础，以计算机和物理效应设备为工具，借助系统模型对实际或设想的系统进行动态试验研究的一门综合性技术1。在电气传动控制领域，目前常用的仿真方法多是离线的，所谓离线仿真是指通过数据模型、功能模块模拟控制系统的各组成部分，以计算机方式进行控

5、制系统的仿真。离线仿真系统虽然对控制算法、量化误差、编程和编译错误的测试是有效的，但是不能用于实际系统的中断延迟、执行时间、内存使用和硬件接口等瓶颈与瑕疵的排查。随着对控制系统鲁棒性、可靠性要求的日益增加，实时仿真被提上了日程。实时仿真即将实际物理模块与理论模型闭环系统，例如，将系统模型在某种实时硬件上得到基本实现，观察与实物相连时控制算法的性能，并可反复设计，寻求理想的控制方案，从而得出实际可行的设计23。实时仿真有如下三种方式46：快速控制原型（RCP）；硬件在回路仿真（HILS）；（3）在回路仿真（SILS）（一般作为 HILS 的设计步骤之一）。11.2 dSPACE 系统的开发背景在

6、研制电力驱动系统以及伺服系统7的过程中，因控制算法的复杂性811，基本上都是基于 DSP 或者单片机的方法得以实现的，使用现代控制策略的时候更是如此1214。在项目开发过程中，需要编写大量的程序代码，同时必须对数字控制器进行充分的测试和参数整定，并排除实时中编程、编译、中断、内存、接口和通信等方面的错误，在未完全消除控制器实时隐患之前，就采用实际电机系统进行闭环测试是非常的。离线仿真时无法对中断、速度、内存、接口和通信等实时参量进行评价，无法排查控制器实时的错误。因此该方案开发过程复杂，开发周期长15。因此在项目开发初期需要一个方便而快捷的方法对控制算法进行验证。dSPACE 系统就是针对这样

7、而开发出来的一个实时硬件测试。基于 dSPACE 实时仿真硬件/，可以实现用开发控制算法，对控制算法实时调试，可以很快的进行反复的设计和调试，直到找到理想的控制方案。在工程开发的初期阶段缩短开发周期，减少项目风险，对项目研究具有非常重要的意义。dSPACE/实时仿真系统是由德国 dSPACE 公司开发的一套基于 的控制系统开发及测试的工作 ，实现了和 的完全无缝连接16。dSPACE 实时系统拥有具有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、I/0 等，还拥有方便易用的实现代码生成、试验和调试的环境。这样，在 dSPACE 强大能力的支持下，就可以很好地解决实时硬件测试的问题17。（1）快速控制原型

8、（RaControl Prototype）：在项目开发的初级阶段，dSPACE 实时仿真系统可以作为控制算法的硬件运行环境。通过 dSPACE 提供的各种板卡，在控制原型算法和控制对象之间搭建起一座实时的桥梁，便捷地实现对控制算法的研究和试验，从而在短周期内开发出最适合控制对象或环境的控制方案。（2）硬件在回路仿真（Hardware-he-Loop Simulation）：当产品型控制器生产出来后，由于控制对象可能还处于研制阶段，或者控制对象很难得到，这就需要找到合适的方法对己完成的控制器进试。此时 dSPACE 实时仿真系统可以用于仿真控制或对外环境，从而允许对控制器进行全面、详细地的测试，

9、甚至连极限条件下的应用也可以进行反复测试。而且，在 dSPACE 试验工具的帮助下，测试工程师只需在计算机屏幕上随时测试工具下的各种信号2和曲线即可，从而大大节约测试费用，缩短测试周期，增加测试的安全性及可靠事、汽车等领域得到推广应用1819。性。HIL 先后在航天航1.3 dSPACE 系统的介绍dSPACE 半实物仿真（实时仿真系统）拥有简单易用的代码生成及、实验工具，还拥有灵活性极强的硬件组合系统。1.3.1 dSPACE 系统的环境方面，dSPACE 将自己的代码生成及的无缝连接。dSPACE 提供了集成于包括代码生成及中，实现了与Real-Time/erface（RTI），实验工具C

10、ontrolDesk。dSPACE系统配合/RTW，就可以实现控制系统开发测试。是用来对模型进行分析、设计、优化和数据的离线处理。它不需要用编程语言对数学描述方法进行处理。这一特点使成为了数学分析、算法开发及应用程序开发的良好环境。是一个用来建模、仿真和分析的包，基于的框图设计环境，支持连续系统、离散系统和混杂系统。提供了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交互界面。通过提供的功能块，可以迅速地创建系统模型。Real-time Workshop（RTW）是是一个基于图形建模和仿真环境的一个重要的补充功能模块，它的代码自动生成环境。它能直接从的模型中产生优化的、可移植的和个性化的代码，并根据

11、目标配置自动生成多种环境下的程序。在 dSPACE 实时仿真系统中，用 RTW 来从方框图生成可执行的 C 代码。RTW与 dSPACE 的 RTI（Real-Time件的无缝转换。erface）联合可完成从方框图到 dSPACE 实时硬Real-Timeerface（RTI）为代码生成和的纽带，它对。它是连接 dSPACE 实时库进行了扩展，它以图形操作方系统与/式实现对 I/O 的设置，与普通RTW 进行扩展，可实现从 载。另外，RTI 还支持用户在仿真模块在使用上没有区别。同时通过对模型到 dSPACE 实时硬件代码的无缝自动下框图中完成：指定部分模型为定时执行；指定部分模型为中断；指定

12、部分模型为硬件中断；指定中断及定时任务的优先级；支持单采样频率和多采样频率。RTI 还充分考虑了实际工程应用中可能遇到的各种问题，如：通过附加解决采样频率不同的模块之间数据传送的不一致性能问题。当用户使用 dSPACE 的 RTI完成建模并用 RTW 产生可执行目标代码及系统描述文件（*.sdo）后，就可在 ControlDesk 的环境下实现实时代码的下3载、信号监视及参数调整等。ControlDesk提供了如下功能：对实时硬件的图形化管理：ControlDesk 可以方便对硬件板卡进行和管理，并用拖放方式方便的完成目标程序的，用 START 和 STOP 来控制实时程序的启动和停止。用户虚

13、拟仪表的建立：用户可以从仪表库中采用拖放方式建立所需的虚拟仪表，通过建立的虚拟仪表与实时程序进行动态、实时数据，实现实时数据回放、完成修改参数等。（3）变量的可视化管理：ControlDesk 可以用图形方式文件，通过拖放操作在变量和虚拟仪表之间建立联系，除了RTI 生成的变量一般变量外，还可以诸如采样时间、中断优先级、程序执行时间的等其他与实时操作相关的变量。1.3.2 dSPACE 系统的硬件结构硬件方面，dSPACE 针对不同的需求，提供了多种可供选择的方案：（1）单板系统：主要功能是快速控制原型（RaControl Prototype）功能。虽然I/O 数量有限，但包括了进行快速控制原

14、型设计所需的大多数 I/O（包括 A/D、D/A、数字 I/O 等）。还特别考虑了驱动应用方面的需求，配有增量编信号接信号发生器。典型的单板系统有 DS1103，DS1104。口及（2）标准组件系统：dSPACE 标准组件系统的是处理器板，通过高速总线PHS 总线扩展各种 I/O 板；同时，也可通过处理器接口扩展处理器板，组成并行多处理器系统，从而大大加快模型的仿真速度，适应用户对快速实时计算模型的要求。目前，dSPACE 为标准组件系统提供了 DS1005PPC 和DS1006PPC 两种型号的处理器板，其处理器分别采用了 IBMAMD Opteron（x86 处理器，2.6GHz）。C75

15、0 GX 和1.4 dSPACE 系统的优点及应用dSPACE 实时系统具有很多其他仿真系统所不能比拟的优点20：（1）组合性强：dSPACE 在设计时就考虑了大多数用户的需求，设计了标准组件系统，可以对系统进行多种组合。对不同用户而言，可以在运算速度不同的多种处理器（如：Tl 公司的 TMS 系列、DEC 公司的 Alpha 系列、Motorala 公司的C 系列）之间进行选择。（2）过渡性和快速性好：由于 dSPACE 和之间的无缝连接，方便地实现了从非实时分析、设计到实时的分析、设计的过程，节省了时间和费用。对产品型实时控制器的支持性强。性能价格比高：dSPACE 可以用于多种产品的开发

16、和调试。4（5）基于 PC 机，WINDOWS 操作系统：便于用户掌握和使用，（6）实时性好，可靠性高：一旦代码到实时系统，代码本身将是独立试验过程中的各种参数及结果变运行的，试验工具只是通过内存量，不会产生对试验过程的中断。正是由于 dSPACE 系统的诸多优点，目前 dSPACE 已经应用于航空航天、汽车、发、电力机车、机器人、驱动及工业控制等众多的领域。许多汽车界的用户都把 dSPACE 作为可以信赖的开发测试工具，如：Audi公司用 dSPACE 实现了 ABS 控制器测试台；德国的铁路巨头 Adtranz 则用dSPACE 实现了电力机车的仿真；的 Boeing，Calspan 公司

17、用 dSPACE 进行飞行器的控制系统设计和仿真。还有一些研究部门如荷兰的 Delft 工业大学、日本的 Waseda 大学等用 dSPACE 进行机器人控制算法的研究。而且，由于 dSPACE的高度可靠性，许多工业用户用 dSPACE 实现工业过程控制，如 AchenbachBuschutten 公司就依赖 dSPACE 的高可靠性来控制型材的平面度；丹麦的Grundfos 还用 dSPACE 来验证集成电路的设计可行性。1.5 基于 dSPACE 的控制系统开发步骤对于用户而言，基于 dSPACE 的控制系统开发步骤包括以下几点：（1）/模型建立及离线仿真。利用/建立仿真对象的数学模型，设

18、计控制方案，并对系统进行离线仿真。（2）输入/输出口（I/O）的接入。在/中保留需要到dSPACE 中的模块，从 RTI 库中拖放实时测试所需的 I/O，替换原来的逻辑连接关系，并对 I/O 参数进行配置。（3）RTW build。由于实时 C 代码的生成、编译连接和序。与 dSPACE 的无缝连接，完成目标系统的，将模型为实时仿真机上可运行的程（4）dSPACE 综合实验和调试。利用 dSPACE 提供的 ControlDesk 对实时仿真数据进行获取、联机改变参数并进行仿真。1.6 dSPACE 系统硬件使用方法在使用 dSPACE 系统前，首先检查试验台周围是否存在安全隐患，然后检查各部

19、分硬件以及电源连接是否正常，接下来就可以开始试验了。首先打开工控机，如图 1-1 所示，按下ER 按钮即可，需要注意的是KB/LOCK 按钮，如果选择 LOCK，则 dSPACE 硬件被锁住，不能使用。5图 1-1 工控机操作面板图 1-2 dSPACE 硬件开关面板然后打开 dSPACE 硬件电源，如图 1-2 所示，按下ER 按钮即可。至此，dSPACE 可以正常使用。62 dSPACE 板卡介绍2.1 DS1005 PPC BoardDS1005 PPC Board 是处理器板卡，它是 dSPACE 模块化硬件的基础。它不但给予模块化系统实时计算的能力，而且可以为 I/O 板卡以及主机提

20、供接口。它主要包括：（1）PHS-bus connector主要用于处理器板卡和 I/O 板卡之间的通信。（2）Sus LEDs主要用来显示板卡当前的状态。这些 LED 指示灯起到检修的作用。（3）Rotary switches用来设置 I/O 的址。默认址是 300H。Gigalink ModuleDS910 Gigalink Module 是多处理器的关键所在。通过这个模块，可以将若干个 DS1005 连接起来。这个模块还可以通过光缆提供高速串行数据传输。UART RS232 connector用来与标准的 RS232 设备通信。2.2 DS2001 HighSpeed A/D Board

21、DS2001 High-Speed A/D Board 是高速 A/D 转换板卡，有 5 路转换通道。它主要包括：（1）DIP switches用来设置 PHS-bus址。默认址是 00H。PHS-bus connector主要用于处理器板卡和 I/O 板卡之间的通信。JumpersdSPACE 保留使用，不允许修改。ADC connector 25 针 Sub-D 母头。2.3 DS2002/DS2003 MultiChannel A/D BoardDS2002/DS2003 Multi-Channel A/D Board 是多通道 A/D 转换板卡，有 2 个独立的 A/D 转化器，每个转

22、换器对应 16 个输入通道。它主要包括：7（1）DIP switches用来设置 PHS-bus址。默认址是 20H。PHS-bus connector主要用于处理器板卡和 I/O 板卡之间的通信。JumpersdSPACE 保留使用，不允许修改。ADC connector 50 针 Sub-D 母头。2.4 DS2102 HighResolution D/A BoardDS2102 High-Resolution D/A Board 是 D/A 转换器。它可以产生作动器的控制信号，也可以在硬件在回路仿真中模拟传感器信号。这个板卡有 6 个 16 位的 D/A 转换通道。它主要包括：（1）DI

23、P switches用来设置 PHS-bus址。默认址是 90H。PHS-bus connector主要用于处理器板卡和 I/O 板卡之间的通信。JumpersdSPACE 保留使用，不允许修改。Calibration connector dSPACE 保留使用。DAC connector37 针 Sub-D 母头。2.5 DS3002 Incremental EncodererfacDS3002 Incremental Encodererfac用于机器人、驱动控制和汽车制造领域中的精确位置检测。本板卡提供 6 路独立通道，可以对增量式编的数字和模拟相位信号进行处理。数字信号可以是差分 RS4

24、22 信号或者单端 TTL 信号。模拟信号可以是正弦电压或电流。它主要包括：（1）DIP switches用来设置 PHS-bus址。默认址是 40H。（2）PHS-bus connector8主要用于处理器板卡和 I/O 板卡之间的通信。DWC connector专门用来与 DS5001 Digital Waveform Captur的脉冲宽度和脉冲个数。Jumpers连接，用来测量低速下用来单独选择连接到某一通道上的编（5）Incremental encoder connector 62 针高密度 Sub-D 母头。类型。2.6 CP4002 Timing and Digital Boar

25、dCP4002 Timing and Digital Board 主要用途有：捕获数字信号（尤其是产生灵活的脉冲样式（和信号），用于参数测量。，单相以及三相信号）。本板卡有 8 路可编程定时 I/O。同时提供 32 个通用数字 I/O 口还有连个外部中断线。它主要包括：（1）DIP switches用来设置 PHS-bus址。默认址是 C0H。PHS-bus connector主要用于处理器板卡和 I/O 板卡之间的通信。Time-base connector用来与 DS4002，DS2210，DS2211 或者 DS5001 板卡交换时基数据。Socket with resistor net

26、work上电后，用来为所有的时基 I/O 提供默认的逻辑电平。默认为低电平。I/O connector 50 针 Sub-D 母头。93 S开关管控制信号实验图 3-1 是采用作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。设负载为阻感负载，工作时 V1 和 V2 的通断状态互补，V3 和 V4 的通断状态也互补。实验中采极性控制方式。控制方式为：当 ur uc 时，给 V1 和 V4 以导通信号，给V2 和 V3 以关断信号；当 ur uc 时，给 V2 和 V3 以导通信号，给 V1 和 V4 以关断信号。由于实验设备条件有限，实验的主要内容是生成开关管控制信号。V1V3UduoV2V4ur uc信

27、号波载波调制电路图 3-1 单相桥式逆变电路3.1 离线仿真模型按照 S控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率波形的方法称为自然采样法21。下搭建的离线仿真模型如图 3-2 所示。开关器件的通断，这种生成 S由自然采样法，在/仿真参数：调制正弦波幅值 0.8V，频率 50Hz；三角载波幅值 1V，频率 1000Hz；死区时间 0.1ms（远大于实际死区时间，为了使仿真结果明显）。图 3-2 S开关管控制信号离线仿真模型10在上述实验条件下，得到的开关管控制信号波形如图 3-3 所示。图 3-3 开关管控制信号波形自然采样法是最基本的方法，所得到的 S波形很接近正弦波。但这种方法

28、要求解复杂的在实时控制中接口模块 DS4002它要求直接给出方程，在采用微机控制技术时需花大量的计算时间，难以计算，因而在工程上实际应用不多。由 dSPACE 提供的 RTI1_OUT 中并不支持自然采样法生成 S波形的方式，的周期和占空比，因此这里改为使用规则采样法，又因为只对一个通道进行实验且不驱动实际的功率器件，所以不再添加死区。规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多，也符合接口模块 DS4002图 3-4 为规则采样法说明图，每个脉冲的中点并不和三角1_OUT 的输入要求。周期的中点（即负峰点）重合。而规则采样法使两者重合，也就是使每

29、个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，这样就是计算大为简化。如图 3-4 所示，在三角波的负峰时刻 tD 对正弦信号波采样而得到 D 点，过 D 点作一水平直线和三角波分别交于 A 点和 B 点，在 A 点时刻 tA 和 B 点时刻 tB 控制功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。设正弦调制信号波为ur a sin rt称为调制度，0a1；r 为正弦信号波角频率。从图(1)式中，a如下关系式3-4中1 a sin rtD /2 2(2)Tc /2 11因此 tD )在三角波的一周期内，脉冲两边的间隙宽度 为1(3) t )(4)r

30、 D2TccrADBtBODt/2/2oOt图 3-4 规则采样法图 3-5 S开关管控制信号离线仿真模型12/下重新搭建的离线仿真模型如图 3-5由规则采样法，在所示。仿真参数：调制正弦波幅值 0.8V，频率 50Hz；三角载波幅值 1V，频率1000Hz。在上述实验条件下，得到的开关管控制信号波形如图 3-6 所示。图 3-6 V1 开关信号占空比波形0 到 0.9 之间变化，波形为正弦波，这与可以看出，开关信号的占空比S波形生成的原理是一致的，因为占空比的变化与调制正弦波的大小变化是一致的，所以必然是正弦波（严格的说应该是正弦阶梯波，因为采样周期相对于仿真周期来讲很小，所以阶梯不是很明显

31、）。以上完成了基于 dSPACE 生成 S波形实验步骤的第一步：设计控制方案，利用/建立仿真模型，并对系统进行离线仿真。3.2 输入/输出口（I/O）接入Ts DS40021_OUTtf图 3-7到 dSPACE 中的仿真模型1350sin2*pi0.81Duty cy cleperiod0.0010.5RT I Data经过分析，发现在离线仿真模型中，只有示波器是不需要到 dSPACE 中的，因此，将 RTI 库中的示波器换为接口模块 DS40021_OUT，将对应的端到 dSPACE 中的仿真模型如图 3-7 所示。口进行连接，得到接口模块 DS40021_OUT 配置界面如图示。图 3-

32、8 接口模块 DS40021_OUT 配置界面以上完成了基于 dSPACE生成 S波形实验步骤的第二步：在/到 dSPACE 中的模块，从 RTI 库中拖放实时中保留需要测试所需的 I/O，替换原来的逻辑连接关系，并对 I/O 参数进行配置。3.3 RTW build如图 3-9 所示，点击 Incremental build ， dSPACE 系统将自动将 /中的仿真模型到实时仿真机上。图 3-9 进行 RTW build以上完成了基于 dSPACE 生成 S统的实时 C 代码的生成、编译连接和的程序。波形实验步骤的第三步：完成目标系，将模型为实时仿真机上可运行143.4 dSPACE 综合

33、实验和测试将模型成功后，点击运行，得到实验结果如图 3-10 所示。可以看出图3-10 与图 3-3 的波形是相同的，说明表明本实验成功的生成了 S制信号波形。开关管控图 3-10 S开关管控制信号波形图 3-11 V1 开关信号占空比波形在 ControlDesk 中的显示界面15利用 dSPACE 提供的 ControlDesk 设计的 V1 开关信号占空比波形显示界面如图 3-11 所示。可以看出它与图 3-6 中的波形是相同的，说明了在 ControlDesk中设计的显示界面的正确性。以上完成了基于 dSPACE 生成S波形实验步骤的第四步：利用 dSPACE提供的 ControlDe

34、sk 对实时仿真数据进行获取、联机改变参数并进行仿真。164 SV开关管控制信号实验SV（Space Vector Pulse Width Modulation）是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。SV压的整体效果出发，着眼于如何使电与传统的 S不同，它是从三相输出电获得理想圆形磁链轨迹。SV技术技术相比较22，绕组电流波形的谐波成分小，使得电与 S转矩脉动降低，旋转磁场更近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化,已有取代传统 S的趋势。SV的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内

35、通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁链去 近理想磁链圆。逆变电路如图 4-1 示。M图 4-1 逆变电路设直流母线电压为 Udc，逆变器输出的三相相电压为 uA、uB、uC，其分别加在空间上互差 120的 ABC 坐标系上。由于逆变器三相桥臂共有 6 个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变器输出的电压空间矢量，

36、特定义开关函数 SX (X=A，B，C)为：1 上桥臂导通SX (5)0 下桥臂导通17(SA，SB，SC)的全部可能组合共有八个，包括 6 个非零矢量 U1(001)、U2(010)、 U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)和两个零矢量 U0(000)、U7(111)，下面以其中一种开关组合为例分析，假设 SX (X=A，B，C)= (100)，如图 4-2 所示。uANUdcuCuBU4 (100)图 4-2 开关组合为 SX (100)此时 Udc , uBC 0, uCA UdcuBN Udc , uAN uCN UdcuABuAN(6)uuu 0 ANBNCN

37、求解上述方程： uAN 2Udc / 3 、uBN Udc /3 、uCN Udc /3 。同理可计算出其它各种组合下的电压空间矢量，如表 4-1 所示。表 4-1 开关状态与 ABC 坐标系下的电压关系由“等功率”Clarke 变换，可将 ABC 坐标系下的各相电压转化到 坐标系下，如表 4-2 所示。18SASBSC矢量符号线电压相电压uABuBCuCAuANuBNuCN000U0000000100U4Udc0-Udc2Udc/3-Udc/3-Udc/3110U60Udc-UdcUdc/3Udc/3-2Udc/3010U2-UdcUdc0-Udc/32Udc/3-Udc/3011U3-Ud

38、c0Udc-2Udc/3Udc/3Udc/3001U10-UdcUdc-Udc/3-Udc/32Udc/3101U5Udc-Udc0Udc/3-2Udc/3Udc/3111U7000000表 4-2 开关状态与 坐标系下的电压关系图 4-3 给出了八个基本电压空间矢量的大小和位置。后面的均是基于图4-3 所示的扇区下进行的。方式和八个基本电压空间矢量方式，且都是在 坐标系U2(010)U6(110)扇区扇区Uref扇区 U0(000)U4(100)U3(011)0U7(111)扇区扇区扇区U1(001)U5(101)图 4-3 电压空间矢量图其中非零矢量的幅值相同（模长为 2/ 3Udc ），

39、相邻的矢量间隔 60，而两个零矢量幅值为零，位于中心。在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来每个扇区内的任意电压矢量，即：TX TY UTs UTX UTs 0 0TTdt dt dt U*dt(7)refXY T0XXY或者等效成下式：19SASBSC矢量符号相电压000U000100U42/3 Udc0110U61/ 6 Udc1/ 2 Udc010U21/ 6 Udc1/ 2 Udc011U32/ 3 Udc0001U11/ 6 Udc1/ 2 Udc101U51/ 6 Udc1/ 2 Udc111U700U T U T U T U*T(8)ref sX X

40、Y Y0 0式中：Uref：给定电压矢量；Ts：采样周期；TX ,TY ,T0：分别为对应两个非零电压矢量 UX、UY 和零电压矢量U* 在一个采0样周期的作用时间，其中U* 可以为 U0 或 U7。0式(8)的意义是，矢量 Uref 在T 时间内积分所产生的效果和 UX、UY、U* 分s别在时间 TX、TY、T0 内积分求和的效果相同。由于三相正弦波电压在电压空间矢量中0一个等效旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压轨迹将是一个圆形。所以要产生三相正弦波电压，可以利用以上电压空间矢量的技术，用六个非零的基本电压空间矢量及两个零矢量的线性时间的组合来得到的开关状态，从而达到电压空间

41、矢量脉宽调制的目的。由于实验设备条件有限，实验的主要内容是生成开关管控制信号。4.1 离线仿真模型SV的工作原理已经详细介绍过，这里只给出在/中搭建模型时的算法流程：（1）判断矢量所处扇区由已知输入 u、u，令u1 uu2 3u u(9)u3 3u u通过以下原则求出 N：如果 u10，则 A 1 ，否则 A 0 ；如果 u20，则 B 1 ，否则 B 0 ；如果 u30，则C 1 ，否则C 0 。则 N A 2B 4C 。得到 N 值以后，由表 4-3 中所示的对应关系，得到矢量所处扇区。表 4-3 N 值与扇区的对应关系20N123456扇区号结构如图 4-4 所示。矢量所处扇区判断模块A

42、N 1-K-2ualpha123456421zoneubeta0图 4-4 扇区判断模块（2）确定该扇区对应的相邻两个矢量的作用时间设给定电压空间矢量 Uref 在第扇区中，如图 4-5 所示。U6( T6 )UTs6uUref /3 2Udc30( T4 )UTsu U44图 4-5 电压空间矢量在第扇区的与分解 U4T4 U6T6（或用 U4、U6、U0 及 U7 进行 U4T4 / Ts U6T6 / Ts ）。，由平均值等效：Uref TsUref令 Uref 和 U4 间的夹角是 ，由正弦定理：21C261435BTableN1 2 3 4 5 6zone2 6 1 4 3 51co

43、s 轴 Ucos T4T6UUref46TT3ss(10)sin 轴sin T6 UUref6T3s2/ 3Udc ，所以可以得到各矢量的状态保持时间为：因为 U4U6 mT sin( )T4s(11)3T6 mTs sin 调制系数（调制比）， m 2式中，m 为 SVUref/ Udc 。式(11)中用到了空间角度及三角函数，使得直接计算基本电压矢量作用时间变得十分。充分利用 u 和 u 可以使计算大为简化。根据图 4-5 有： Urefcos u(12) Usin uref经过整理后得出3u u 2TsT4 2Udc(13)2Ts uT6Udc为使发波对称，且谐波含量较小，本文采用 7

44、段式 SV分配的时间为：，零电压矢量所 (Ts T4 T6 )T T(14)702同理可求得 Uref 在其它扇区中各矢量的作用时间，从而可以由 Uref 所在扇区号通过查表，求得令Uref 相邻两电压空间矢量的作用时间。X2Ts uUdc2TY s ( 3u u )(15)2Udc2TZ s ( 3u u )2Udc则Uref 相邻两电压空间矢量的作用时间可由表 4-4 获得。其中，TX 表示22相邻两个矢量中的前一矢量的作用时间，TY 表示后一矢量的作用时间。如当 Uref所在扇区为号，则 TX 表示 U4 的作用时间，TY 表示 U6 的作用时间。表 4-4 矢量作用时间表可以看出，空间

45、矢量作用时间决定了产生近似矢量所要求的开关点。当计算出(TX TY ) Ts 时，产生饱和，使得零矢量作用时间为负值，因此要对饱和时间进行处理。当(TX TY ) Ts 时，令TTX=TXsT +TXY(16)TYT=T计算 X、Y、Z 和 TX、TY 模块YsT +TXY结构分别如图 4-6 和图 4-7 所示。21Xubeta1K-K-ualpha2YK-3Z3K-Ts4Udc图 4-6 X、Y、Z 计算模块11234zoneX2XTxTy 1-XK-565YTs3Y-Y K-1234Z4Z5-Z6K-图 4-7 TX、TY 计算模块23扇区号TX-ZZX-X-YYTYXY-YZ-Z-X（

46、3）计算电压空间矢量切换点时间令Ts TX TYTa 4TTb T X 2(17)aTY2Tc Tb 则电压空间矢量切换点时间可查表 4-5 得出。表 4-5 中 Tcm1、Tcm2、Tcm3 分别为电压空间矢量切换点时刻。表 4-5 电压空间矢量切换点时间表1zone1234562Ta1Tcm12TsK-1Ta1234563Tb2TbK-2Tcm21TxTy3TcK-1234564Tc3Tcm3图 4-8b、Tc 计算模块图 4-9 Tcm1、Tcm2、Tcm3 计算模块24扇区号Tcm1bTcTcTbTaTcm2TbTaTbTcTcTcm3TcTcTbTaTb图 4-8 和图 4-9 分别

47、为（4）脉冲生成b、Tc 计算模块和 Tcm1、Tcm2、Tcm3 计算模块。脉冲生成模块如图 4-10 所示。1Tcm121PulsesTcm23Tcm3Out1Carrier图 4-10 脉冲生成模块将计算得到的 Tcm1、Tcm2、Tcm3 作为调制波与载波相比较，最终得到逆变器的脉冲信号，即 SV波形。将上述模块连接成整体，得到离线仿真模型如图 4-11 所示。仿真参数：u、u 是相位相差 90的正弦波，幅值为 115V，频率为 400Hz；控制周期 Ts 为 100s；直流电压为 270V。图 4-11 SV开关管控制信号离线仿真模型在上述实验条件下，得到的开关管 V1、V3、V5

48、的控制信号波形如图 4-12 所示，V4、V6、V2 的控制信号波形分别与 V1、V3、V5 互补，所以省略。25double=double=double=图 4-12 开关管控制信号波形同样由于 dSPACE 提供的 RTI 接口模块 DS40023_OUT 中并不支持这种生成 SV波形的方式，它要求直接给出的周期和占空比，因此这里在上述模型的基础上进行修改，使其能够满足 dSPACE 的接口要求，修改后得离线仿真模型如图 4-13 所示。仿真参数不变。图 4-13 SV开关管控制信号离线仿真模型V1 模块的结构如图 4-14 所示，由于 V3、V5 的结构与 V1 的结构相同，故不再赘述。

49、26图 4-14 V1 模块的结构在上述实验条件下，得到的开关管控制信号波形如图 4-15 所示。图 4-15 V1、V3、V5 开关信号占空比波形可以看出，开关信号的占空比0.2 到 0.8 之间变化，波形为马鞍波，这与 SV波形生成的原理是一致的。SV实质是一种对在三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变形 S。但 SV的调制过的相程是在空间中实现的，而 S电压调制波是正弦波，而 SV是在 ABC 坐标系下分相实现的；S没有明确的相电压调制波，是隐含的。实际上，SV的相电压调制波函数是不规则的分段函数，为马鞍波形；线电压调制波函数是正弦波形。以上完成了基于 dSPACE 生成

50、 SV波形实验步骤的第一步：设计控制方案，利用/建立仿真模型，并对系统进行离线仿真。274.2 输入/输出口（I/O）接入经过分析，发现在离线仿真模型中，只有示波器是不需要到 dSPACE 中的，因此，将 RTI 库中的示波器换为接口模块 DS40023_OUT，将对应的端口进行连接，得到到 dSPACE 中的仿真模型如图 4-16 所示。这里由于 dSPACE 不能实现开关频率过高的实时仿真，因此这里修改参数为：u、u 是相位相差Ts 为 1ms，其他不变。90的正弦波，幅值为115V，频率为50Hz；控制周期RTI Datazone caluazonezone1Tcm1Tcm1Duty C

51、ycle V1TsubProductzoneV1Duty cycle aTxTxTaTauaalphaXX1ub TsUdcTcm2Tcm2Duty Cycle V3TsDuty cycYYbetaTyTyTbTbProduct1V3ZZDuty cycle c270 xyz calTxTy calUdc1Tcm3Tcm3Duty Cycle V5TsperiodTsTcTcProduct2DS40023 OUTV5bTc calTcm1Tcm2Tcm3 cal0.001Ts图 4-16到 dSPACE 中的仿真模型接口模块 DS40023_OUT 配置界面如图 4-17 所示。图 4-17

52、接口模块 DS40023_OUT 配置界面28以上完成了基于 dSPACE生成 SV波形实验步骤的第二步：在/到 dSPACE 中的模块，从 RTI 库中拖放实时中保留需要测试所需的 I/O，替换原来的逻辑连接关系，并对 I/O 参数进行配置。4.3 RTW build如图 4-18 所示，点击 Incremental build ， dSPACE 系统将自动将 /中的仿真模型到实时仿真机上。图 4-18 进行 RTW build以上完成了基于 dSPACE 生成 SV系统的实时 C 代码的生成、编译连接和行的程序。波形实验步骤的第三步：完成目标，将模型为实时仿真机上可运4.4 dSPACE

53、综合实验和测试成功后，点击运行，得到实验结果如图 4-19 所示。可以看出图将模型4-19 与图 4-12 的波形是相同的，说明本实验成功的生成了 SV信号波形。开关管控制图 4-19 SV开关管控制信号波形29利用 dSPACE 提供的 ControlDesk 设计的 V1 开关信号占空比波形显示界面如图 4-20 所示。可以看出它与图 4-15 中的波形是相同的，说明了在 ControlDesk中设计的显示界面的正确性。图 4-20 V1、V3、V5 开关信号占空比波形在 ControlDesk 中的显示界面以上完成了基于 dSPACE 生成 SV波形实验步骤的第四步：利用dSPACE 提

54、供的 ControlDesk 对实时仿真数据进行获取、联机改变参数并进行仿真。305 分析与总结本文首先对 dSPACE 实时仿真系统进行了介绍，然后在理论分析的基础上设计了能与 dSPACE/系统接口的 S和 SV波形生成方法，并利用进行了离线建模与仿真，利用 RTW build 将模型为实时仿真机上可运行的程序，最后进行了实时仿真。实验结果表明了本文所提出的基于 dSPACE 的 S研究过程中遇到和 SV：波形生成方法的可行性与有效性。（1）dSPACE 不能实现高速仿真。实验过程中发现，如果将开关频率设置到 10KHz 时，则 dSPACE控制要求。具体表现为只能满足 10KHz 的发波

55、频率，但是不能实时的改变占空比，只能发出初始化占空比的高大约 6KHz 左右的发波频率。波。请教骆老师后，得知 dSPACE 能支持最dSPACE 的帮助机制不好，遇到问题有时候无从下手。dSPACE 的系统过于封闭，这直接导致实验过程中遇到位，而且在互联网上相关的内容也很少。dSPACE 的 ControlDesk 功能不够强大。不能准确定ControlDesk有着上手容易的优点，但是它的功能不够强大，很多东西与 LabVIEW 这类不能设置，用户体验也远没有好。31参考文献12. 基于 DSPACE 的电气传动实时仿真的研究D. 江南大学, 2005.Grega W, Kolek K. Simulation and real-time control: from Aided Control System Design, 2002. Proceedings. 2002 IEEE104-109.to industrial applicationsC. Computerernational Symium on. IEEE, 2002:3Hanselmann H. Automotive control: from concept to e