通用工控机联合DSP实现PWM控制器快速原型设计方法及设备

1.一种通用工控机联合DSP实现PWM控制器快速原型设计方法，其特征在于：利用现有的xPC target技术，将大步长离线仿真模型转化为实际的控制原型，并下载到通用工控机上实时运行，即在通用工控机上运行大步长控制算法，输出DSP的参考量信号，在DSP上运行小步长控制算法，DSP接受通用工控机发出的参考量信号，生成与之对应的SPWM脉冲信号；
控制算法都为基于Matlab工具箱自动生成C代码，通过将离线仿真模型转化为实际的控制原型，从而实现PWM控制器的快速原型化。
2.一种采用如权利要求1所述的方法的实验设备，包括通用工控机(1)、DSP(2)及上位机(3)，其特征在于：在通用工控机(1)的采集卡接口上连接有数据采集卡(4)，DSP(2)的外扩I/O板卡与通用工控机(1)上的数据采集卡(4)连接，通用工控机(1)、DSP(2)及上位机(3)均连接到交换机(5)的网口上。

通用工控机联合DSP实现PWM控制器快速原型设计方法及设备\n技术领域\n[0001] 本发明涉及自动化工控技术，尤其是一种通用工控机联合DSP实现PWM控制器快速原型的方法及设备。\n背景技术\n[0002] 电力系统规模庞大，系统复杂，对于系统的分析与设计工作量很大，这也导致采用物理模拟的方法进行系统研究受到限制。近年以来数字仿真技术风速发展，大大提高对复杂电力系统的建模和仿真研究的可行性。数字仿真提供理论可信性，可行性验证，但如果转换为实际可用装置或程序需要另外设计，而且设计的设备直接用于电力实验，安全性差，成本高，效率低。目前快速原型化设计是尽可能地在虚拟环境中进行产品设计，达到缩短产品开发周期、降低开发费用的目的，产品开发之前，使设计者新的控制方法能在实时硬件上方便而快捷地进行测试。通过实时测试，可以在设计初期发现存在的问题，以便修改原型或参数，再进行实时测试，这样反复进行，最终产生一个完全面向用户需求的合理可行的控制原型。目前已有的快速原型化设备如dSPACE、RapidECU等都十分昂贵，以及代码运行实时性要求较高运算量大，单一芯片不能满足运算实时性要求，所以开发一种即经济、又高效的快速原型设计方法显得十分必要。\n发明内容\n[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种通用工控机联合DSP实现PWM控制器快速原型设计方法及设备，它简单易行，成本低廉，以克服现有技术的不足。\n[0004] 本发明是这样实现的：通用工控机联合DSP实现PWM控制器快速原型设计方法，在通用工控机上运行大步长控制算法，输出DSP的参考量信号，在DSP上运行小步长控制算法，DSP接受通用工控机发出的参考量信号，生成与之对应的SPWM脉冲信号；控制算法都为基于Matlab工具箱自动生成C代码，通过将离线仿真模型转化为实际的控制原型，从而实现PWM控制器的快速原型化。\n[0005] 实验设备，包括通用工控机、DSP及上位机，在通用工控机的采集卡接口上连接有数据采集卡，DSP的外扩I/O板卡与通用工控机上的数据采集卡连接，通用工控机、DSP及上位机均连接到交换机的网口上。\n[0006] 本发明的快速原型化系统结构框图如图1，该方法硬件主要由通用工控机和DSP控制板组成，通用工控机上安装有多功能数据采集卡，用于数据的采集和发送，利用现有的xPC target技术，将大步长离线仿真模型转化为实际的控制原型，并下载到通用工控机上实时运行，在DSP上运行小步长控制算法，即通用工控机运行系统级的控制方法，输出DSP的参考量信号，DSP接受通用工控机发出的参考量信号，生成与之对应的控制信号SPWM脉冲信号，控制C代码都是Matlab工具箱自动生成，快速生成控制原型。目前厂商生产的快速原型化设备都十分昂贵，价格几十万。然而采用该方法所需硬件如通用工控机，数据采集卡，DSP控制板等，成本不到万元。因此通用工控机联合DSP实现PWM控制器快速原型的设计方法是一种更具优势的快速原型化解决方案。可见本发明与现有的相比dSPACE等快速原型化设备，该方法更具有经济优势，并可以进行在环调试实验。实现控制器设计的低投入，高效率，安全调试。本发明方法简单，使用效果好。\n附图说明\n[0007] 图1为本发明的结构示意图。\n[0008] 图2为本发明的实施例的结构原理图；\n[0009] 图3为本发明的实施例的的硬件结构图；\n[0010] 图4为本发明的实施例的风速突变时风机出口电压（标幺值）；\n[0011] 图5为本发明的实施例的风速突变时风机功率（标幺值）；\n[0012] 图6为本发明的实施例的风速突变时转子电流（KA）；\n[0013] 图7为本发明的实施例的风速突变时转速（标幺值）；\n[0014] 图8为本发明的实施例的额定运行时定子电流（KA）；\n[0015] 图9为本发明的实施例的额定运行时定子电压（KV）。\n具体实施方式\n[0016] 本发明的实施例1：通用工控机联合控制器实现PWM控制器快速原型设计方法，图2为本发明的实施例的结构图，由图可知，本实施例为快速原型化设计双馈风机换流器控制器，输配电一次系统和双馈风机设备一次部分由RTDS模拟，模拟电力系统一次二次设备特性，设置各种电力系统故障，风机设备二次部分（电力电子换流器控制器）由通用工控机联合控制器（DSP）快速原型化；在通用工控机上运行大步长控制算法，在DSP上运行小步长控制算法，这样可以有效解决实时仿真运算精度和运算量的要求，图3为实施例硬件系统结构图，通用工控机运行大步长算法，采集RTDS模拟的被控对象参数，生成控制器参考量信号，DSP接收工控机发出的参考量信号，运行小步长算法，发出PWM脉冲信号驱动RTDS模拟的被控对象，RTDS模拟电网和风机一次设备，数据通过板卡与其他设备交换，上位机起到监控波形、在线修改参数、代码生成等功能。\n[0017] 实验设备的结构如图1所示，包括通用工控机1、DSP2及上位机3，在通用工控机1的采集卡接口上连接有数据采集卡4，DSP2的外扩I/O板卡与通用工控机1上的数据采集卡4连接，通用工控机1、DSP2及上位机3均连接到交换机5的网口上。\n[0018] 以通用工控机1为核心设备，在通用工控机1的处理器内运行控制代码，使用数据采集卡4，采集控制器所需的检测量，并通过数据采集卡4输出参考量信号，传输到DSP2中；\n通用工控机1的网口与交换机5相连，与上位机3形成通信，可以实现控制代码的参数更改和实时监测运行状态。\n[0019] 以DSP2（本实施本中DSP采用型号为28335的设备）为核心设备，通过外扩I/O板卡采集由通用工控机1输出的参考量信号，经DSP2处理后输出PWM脉冲信号，驱动控制对象。将PC连接到DSP2的底板JTAG插针上，使DSP2通过PC7中的CCS软件实现控制程序的编译及连接。同时，DSP2的网口通过交换机5与上位机4相连，与上位机4形成通信。\n[0020] 在使用过程中，使通用工控机1通过数据采集卡4与控制对像6(RTDS）的模拟输出卡连接，并将控制对像6的网口连接到交换机5上，形成一个闭环控制系统，完成PWM控制功能，以实现控制器的在环设计。\n[0021] 本实施例中通用工控机作为极控，运行实时仿真大步长控制算法，通过数据采集卡采集风机各个参数，通过矢量控制输出换流器的基准电压信号，工控机通过制作好的U盘启动盘启动，实时运行上位机下载的C代码，由于涉及到变频器控制，为了最大限度的提高运行速度，工控机（xPC target目标机）运行方式采用“polling”模式，且选择了采集速度较快的NI PCI 6251多功能数据采集卡，在运算时间不溢出的前提下最大限度降低运行步长。\nNI PCI 6251采集卡设置为差分采集模式，降低干扰影响，提高采集精度；NI PCI 6251为多路复用式，每通道采集时间为1微秒，本实施例中风机的额定频率为50Hz，并且转子电流频率更低，不同步采集带来的误差可以忽略。\n[0022] 由于涉及电力电子器件触发脉冲，PWM调制对运算步长要求较高，所以需要使用DSP充当“阀控”，通过其模拟输入端口输入通用工控机产生的基准电压信号，运行小步长PWM调制代码，相比调制功能已经固化的dSPACE设备，该方法更为灵活。\n[0023] 本实施例还进行了对比实验，分别用实施例的方案与现有dSPACE设备快速原型双馈风机控制器，并基于RTDS仿真器进行在线实时仿真实验。\n[0024] 0.6s时风速突变，风速从8m/s突变为12m/s，图4（a）与图4（b）反映由于线路阻性参数不能忽略，风机有功增加略微会提升风机端电压，电压基本稳定。图5（a）与图5（b）反映输出功率在10s内从0.27标幺值上升到额定值。图6（a）与图6（b）是转子电流波形，可以看出5s时达到同步转速。图7（a）与图7（b）反映风速变化转速相应改变。维持在最佳叶尖速比，实现最大功率追踪。图8（a）与图8（b）额定运行定子电流波形图，图9（a）图9（b）额定运行定子电压形图。其中标号为（a）的图，为通用工控机联合DSP实现PWM控制器快速原型的设计方法设计的快速原型控制器在线实时仿真波形，标号为（b）的图，运用dSPACE设备设计快速原型控制器在线实时仿真波形。对比在线实时仿真结果，可以看出本实施例达到与dSPACE设备相同的在线实时仿真效果，仿真结果都较为理想。