dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無(wú)縫連接。dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)擁有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)。dSPACE硬件系統(tǒng)中的處理器具有高速的計(jì)算能力，并配備了豐富的I/O支持，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行組合；軟件環(huán)境的功能強(qiáng)大且使用方便，包括實(shí)現(xiàn)代碼自動(dòng)生成/下載和試驗(yàn)/調(diào)試的整套工具。dSPACE軟硬件目前已經(jīng)成為進(jìn)行快速控制原型驗(yàn)證和半實(shí)物仿真的首選實(shí)時(shí)平臺(tái)。

　　dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無(wú)縫連接。dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)擁有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)。dSPACE硬件系統(tǒng)中的處理器具有高速的計(jì)算能力，并配備了豐富的I/O支持，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行組合；軟件環(huán)境的功能強(qiáng)大且使用方便，包括實(shí)現(xiàn)代碼自動(dòng)生成/下載和試驗(yàn)/調(diào)試的整套工具。dSPACE軟硬件目前已經(jīng)成為進(jìn)行快速控制原型驗(yàn)證和半實(shí)物仿真的首選實(shí)時(shí)平臺(tái)。

　　dSPACE體系結(jié)構(gòu)

　　dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是由德國(guó)dSPACE公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測(cè)試用的工作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink的完全無(wú)縫連接。dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)擁有高速計(jì)算能力的硬件系統(tǒng)（包括處理器、I/O等），還擁有方便易用且能實(shí)現(xiàn)代碼生成、下載、試驗(yàn)和調(diào)試的軟件環(huán)境。

　　dSPACE的硬件系統(tǒng)

　　針對(duì)不同的用戶，dSPACE可分為標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)和單板系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)是把處理器板、I/O板分開，并提供多個(gè)系列和品種，允許用戶根據(jù)特定需求隨意組裝，可以使用多塊處理器板、多塊（多種）I/O板，使系統(tǒng)運(yùn)算速度、內(nèi)存和I/O能力均可大大擴(kuò)展，從而滿足復(fù)雜的應(yīng)用之需。單板系統(tǒng)本身就是一個(gè)完整的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，DSP和I/O全部集成于同一板上，其I/O包括了采用快速控制原型設(shè)計(jì)的大多數(shù)I/O（如A/D、D/A等），為配合驅(qū)動(dòng)應(yīng)用需求，配有PWM信號(hào)發(fā)生器等。

　　單板系統(tǒng)DS1104的硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。dSPACE系統(tǒng)的硬件主要包括基于PowerPC和DSP的處理器芯片，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶設(shè)計(jì)的算法或仿真模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行。PowerPC的時(shí)鐘頻率為250MHz，并提供16kB的片內(nèi)數(shù)據(jù)緩存和片內(nèi)指令緩存。存儲(chǔ)器包括8MB的閃存和32MB的SDRAM主存儲(chǔ)器。為了滿足硬件在回路仿真時(shí)的需要，DS1104提供了8通道A/D轉(zhuǎn)換，8通道D/A轉(zhuǎn)換，20位數(shù)字I/O口以及同步串行接口。DS1104單板系統(tǒng)內(nèi)置了TEXAS公司的TMS320F240DSP芯片，它通過(guò)雙端口存儲(chǔ)器（DualPortRAM）與PPC相連。這個(gè)內(nèi)置的DSP能夠產(chǎn)生PWM信號(hào)，并且具有14位的數(shù)字I/O口。

　　dSPACE的軟件系統(tǒng)

　　dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)允許用戶實(shí)時(shí)地調(diào)整控制器參數(shù)和運(yùn)行環(huán)境，并提供各種各樣的參數(shù)顯示方式。dSPACE的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)主要由3部分組成，如圖2所示，分別為控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)平臺(tái)MATLAB/Smiulink、dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及外部真實(shí)環(huán)境和設(shè)備。其中，RTI（RealTmieInterface）是連接dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)與MATLAB/Smiulink的紐帶，用戶通過(guò)將RTI庫(kù)中的模型與MATLAB/Smiulink配合使用，設(shè)計(jì)控制器的Smiulink模型，通過(guò)對(duì)RTW（RealTmieWorkshop）進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了從Smiulink模型到SPACE實(shí)時(shí)硬件代碼的無(wú)縫自動(dòng)下載。dSPACE實(shí)時(shí)硬件負(fù)責(zé)與外部設(shè)備連接，交互控制信息與反饋信息，監(jiān)控測(cè)試軟件，提供對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的綜合管理，在線調(diào)整參數(shù)，建立用戶虛擬儀表，實(shí)時(shí)觀測(cè)控制效果。

　　針對(duì)dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的3個(gè)部分，dSPACE軟件系統(tǒng)相應(yīng)地也由3個(gè)模塊組成：算法開發(fā)模塊，實(shí)時(shí)運(yùn)行模塊及實(shí)時(shí)測(cè)試和監(jiān)控模塊。算法開發(fā)包括在Simulink里設(shè)計(jì)在線模型或用C語(yǔ)言編寫模型代碼; 實(shí)時(shí)運(yùn)行模塊依據(jù)算法開發(fā)的不同形式，相應(yīng)地也有2種方式：基于Simulink的模型在RTW和RTI的支持下自動(dòng)完成模型的代碼生成、編譯、鏈接、下載;手工編寫的模型則需要通過(guò)運(yùn)行dSPACE提供的批處理命令完成上述功能;！實(shí)時(shí)測(cè)試和監(jiān)控模塊由dSPACE系統(tǒng)提供的用戶界面軟件ControlDesk來(lái)完成，利用ControlDesk實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)硬件的圖形化管理，包括新硬件的注冊(cè)管理、控制實(shí)時(shí)程序的啟動(dòng)和停止及差錯(cuò)監(jiān)視、虛擬儀表的建立以及與實(shí)時(shí)程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換、訪問RTI生成的變量文件、在變量和虛擬儀表之間建立聯(lián)系、訪問與實(shí)時(shí)操作相關(guān)的變量等參數(shù)的可視化管理。

　　dSPACE在BLDCM控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　無(wú)刷直流電機(jī)控制的一個(gè)關(guān)鍵問題是要解決電子換向控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本研究以無(wú)刷直流電機(jī)控制為例來(lái)研究dSPACE在線仿真設(shè)計(jì)問題。其控制系統(tǒng)原理圖，如圖3所示，它是由PID控制器、脈寬調(diào)制器（PWM）、功率放大器、無(wú)刷直流電機(jī)及光電碼盤組成的一個(gè)速度反饋控制回路。

　　無(wú)刷直流電機(jī)半實(shí)物連接圖，如圖4所示，圖中下部方框是PC機(jī)部分，用于在線模型的設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)代碼的生成、下載以及實(shí)驗(yàn)仿真。上部即物理設(shè)備，包括無(wú)刷直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及dSPACE控制卡。無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，如圖5所示。

　　控制系統(tǒng)中的PWM脈寬調(diào)制部分、脈沖計(jì)數(shù)部分及相應(yīng)的輸入/輸出由dSPACE系統(tǒng)的RTI模塊庫(kù)中的相應(yīng)模塊替代，使整個(gè)控制系統(tǒng)完全在Simulink下建模，如圖6所示。

? ? ? ? 圖中，DS1104SL,DSP,PWM、DS1104SL,DSP,F2D、DS1104DAC,C13個(gè)模塊都是由RTI模塊庫(kù)提供的，它們的功能分別是提供PWM脈寬調(diào)制信號(hào)、脈沖計(jì)數(shù)和D/A轉(zhuǎn)換。

　　在MATLAB/Simulink中建立控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真模型之后，對(duì)其進(jìn)行代碼生成、編譯及下載。同時(shí)將dSPACE的硬件系統(tǒng)與外部受控對(duì)象（無(wú)刷直流電機(jī)）對(duì)應(yīng)的控制端口相連（如DS1104SL,DSP,F2D與測(cè)速碼盤輸出相連，DS1104SL,DSP,PWM模塊與驅(qū)動(dòng)放大器相連以直接控制轉(zhuǎn)速），構(gòu)成半實(shí)物仿真系統(tǒng)的控制回路。為了實(shí)時(shí)調(diào)試控制效果，通過(guò)dSAPCE的測(cè)試軟件建立虛擬儀表，如圖7所示。

　　Simulink為復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真提供了直觀方便的計(jì)算機(jī)環(huán)境，它可以通過(guò)一系列模塊的連接，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型。dSPACE仿真平臺(tái)與MATLAB實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫連接，使廣大MATLAB用戶可以輕松地掌握dSPACE的使用，從而方便地從非實(shí)時(shí)分析、設(shè)計(jì)過(guò)渡到實(shí)時(shí)分析、設(shè)計(jì)，并通過(guò)對(duì)不同算法和參數(shù)的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)出更好的控制器，應(yīng)用于系統(tǒng)控制。

　　利用dSPACE提供的半實(shí)物仿真開發(fā)平臺(tái)，可方便快捷地構(gòu)建控制系統(tǒng)的模型，完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。同時(shí)，模型參數(shù)的修改、代碼的生成及下載也非常方便，完全避免了過(guò)去因?yàn)榫植扛膭?dòng)就要多花費(fèi)幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行代碼修改和重新測(cè)試的不便，提高了工作效率。

　　控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真過(guò)程中用到的工具

　　在實(shí)時(shí)仿真中，我們使用dSPACE平臺(tái)。它是一個(gè)由軟硬件綜合系統(tǒng)，它的軟件可以和MATLAB無(wú)縫集成，使用起來(lái)非常方便。dSPACE軟件系統(tǒng)由代碼生成及下載軟件和實(shí)驗(yàn)軟件兩大部分組成，首先介紹代碼生成及下載軟件RTI和PPC編譯器。

　　RTI是連接dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)與軟件開發(fā)工具M(jìn)ATLAB/Simulink之紐帶。RTI對(duì)Simulink庫(kù)進(jìn)行了擴(kuò)展，利用這些框圖可以無(wú)需寫任何代碼就能完成包括I/O接口及初始化過(guò)程的全部設(shè)置。同時(shí)通過(guò)對(duì)RTW進(jìn)行擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE實(shí)時(shí)硬件代碼的無(wú)縫自動(dòng)下載。這可使用戶完全致力于實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程并能迅速完成設(shè)計(jì)的更改，費(fèi)力的手工編程已成為過(guò)去。

　　除標(biāo)準(zhǔn)I/O功能外，RTI還支持用戶在SIMULINK框圖中完成：

　　指定部分模型為定時(shí)執(zhí)行

　　指定部分模型為軟件中斷

　　指定部分模型為硬件中斷

　　指定中斷及定時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)

　　支持單采樣頻率和多采樣頻率

　　支持單任務(wù)模式和多任務(wù)模式

　　另外，RTI還充分考慮了實(shí)際工程應(yīng)用中可能遇到的各種問題，如：

　　通過(guò)附加手段解決采樣頻率不同的模塊之間數(shù)據(jù)傳送的不一致性

　　支持多處理器，允許在SIMULINK中完成多處理器模型的分割

　　允許指定處理器之間的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，可采用：同步BUFFER，異步BUFFER，及共享存儲(chǔ)區(qū)方式

　　允許處理器之間進(jìn)行中斷

　　RTI可以處理連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、混合系統(tǒng)和多采樣頻率系統(tǒng)。

　　當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，單處理器系統(tǒng)難以完成時(shí)，需要多個(gè)處理器并行工作。這時(shí)，就需要RTI-MP的幫助以完成多處理器系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建立多處理器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（包括處理器之間的通訊）。RTI-MP允許用拖放方式對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行分割，每一個(gè)子系統(tǒng)均可進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。

　　不論用何種方式（手動(dòng)或自動(dòng)）生成實(shí)時(shí)系統(tǒng)，都需要一個(gè)C編譯器。根據(jù)配置的不同，dSPACE系統(tǒng)使用POWER P C編譯器Complier For PPC：適用于所有基于POWER PC處理器的系統(tǒng)。

　　當(dāng)模型下載至dSPACE中后，就需要用實(shí)驗(yàn)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試了，此過(guò)程中用到的實(shí)驗(yàn)軟件主要有：

　　綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境ControlDesk

　　ControlDesk是dSPACE開發(fā)的新一代實(shí)驗(yàn)工具軟件。雖然控制器的開發(fā)及仿真模型的建立還是使用MATLAB/SIMULINK，但是，一旦模型已經(jīng)通過(guò)RTI實(shí)現(xiàn)并下載到實(shí)時(shí)硬件中，余下的就是ControlDesk的事了。ControlDesk將提供對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的綜合管理。利用ControlDesk可以實(shí)現(xiàn)：

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)化

　　用戶虛擬儀表的建立

　　變量的可視化管理

　　參數(shù)的可視化管理

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)化

　　實(shí)現(xiàn)自動(dòng)試驗(yàn)及參數(shù)調(diào)整的MLIB和MTRACE

　　利用MLIB和MTRACE，可以大大增強(qiáng)dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)的自動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑＪ褂眠@兩個(gè)庫(kù)可在不中斷試驗(yàn)的情況下從MATLAB通過(guò)M編程直接訪問dSPACE板上運(yùn)行的應(yīng)用程序中的變量。甚至無(wú)需知道變量的地址，有變量名就足夠了。這樣就可以利用MATLAB的數(shù)字計(jì)算及圖形能力進(jìn)行順序自動(dòng)測(cè)試、數(shù)據(jù)記錄和控制參數(shù)的優(yōu)化。

　　MLIB和MTRACE聯(lián)合使用可組成一個(gè)完美的整體。有MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算能力做支持，可以自動(dòng)執(zhí)行所能想到的任何試驗(yàn)。比如控制器的優(yōu)化：用MTRACE記錄數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送給MATLAB。MATLAB自動(dòng)計(jì)算出新的控制器參數(shù)，并通過(guò)MLIB送回處理器板或控制板。

　　MLIB和MTRACE也可以和ControlDesk同時(shí)使用。

　　實(shí)時(shí)動(dòng)畫軟件MotionDesk

　　通常情況下，實(shí)時(shí)仿真過(guò)程的可視化是通過(guò)記錄時(shí)間響應(yīng)或儀表顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不過(guò)，這些方法多少有些抽象。利用MotionDesk，仿真與真實(shí)世界之間的界限消失了。MotionDesk可為dSPACE處理器板上在線仿真的物體提供三維動(dòng)畫效果。仿真的任何改變所引起的結(jié)果都可以立即在屏幕上顯示出來(lái)。

　　與實(shí)時(shí)處理器通訊的CLIB---PC

　　每一個(gè)實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)都需要在主機(jī)和控制器/處理器之間進(jìn)行交互操作，如：改變參數(shù)、記錄數(shù)據(jù)、在線顯示等。dSPACE的ControlDesk及其它工具為大部分的控制任務(wù)提供了全面的解決方案。

　　但是，在某些情況下，可能會(huì)需要在沒有dSPACE工具的情況下進(jìn)行控制，如第三方測(cè)試、使用其它的可視化工具或使用用戶編寫的主程序等。

　　CLIB可在其他工具和實(shí)時(shí)硬件之間建立聯(lián)系。CLIB包括一整套的C函數(shù)，可用來(lái)建立用戶主界面，完成各種處理器控制功能，訪問處理器存儲(chǔ)器。它可從變量的符號(hào)名自動(dòng)尋找其地址。CLIB允許多個(gè)程序（包括dSPACE工具和dSPACE以外的工具）同時(shí)訪問處理器。

　　除了軟件，Dspace還為用戶提供了豐富的硬件資源，分為單板系統(tǒng)和組件系統(tǒng)，對(duì)于控制系統(tǒng)仿真來(lái)說(shuō)，需要選擇組件系統(tǒng)來(lái)完成如此復(fù)雜的功能。

　　dSPACE根據(jù)控制系統(tǒng)的各種接口需要可以提供組件系統(tǒng)來(lái)滿足系統(tǒng)的需求。組件系統(tǒng)的核心是處理器板DS1005，它有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和I/O管理能力，運(yùn)算能力可達(dá)12.6 SPECfp95，21.8 SPCEint95。使用了Motorola公司的PowerPC750（933MHz）作為處理器，共2KWords的片內(nèi)數(shù)據(jù)緩存及32KWords的片內(nèi)指令緩存。處理器板上還有16MByte閃存和128M SRAM主存儲(chǔ)器。該板通過(guò)快速32位總線（PHS總線）提供到各種I/O板的接口，通過(guò)不同形式總線（ISA、PCI、PCMCIA、Ethernet）到主機(jī)的硬件接口。

　　另外，dSPACE還提供多種IO板卡方便用戶的使用，用戶應(yīng)根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇，具體的型號(hào)和功能參見dSPACE產(chǎn)品手冊(cè)。

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