伺服控制MBD开发平台

2024年3月1日发(作者：春节作文200字)

伺服控制MBD开发平台

1 概述

伺服控制MBD开发平台是由北京灵思创奇研制，基于MBD（Model Bad

Design）设计思路，运用数字仿真和半实物仿真等手段，辅助伺服控制系统的开发。该平台的典型用途包括：

1) 能够进行伺服驱动控制方法研究（矢量控制、直接转矩控制、SPWM、SVPWM）、控制算法研究（传统PI控制、分数阶控制、自抗扰控制、滑模变结构控制、反步控制等），参数辨识（最小二乘、相关辨识等）和自整定技术研究及其应用，以及无位置传感器控制技术研究及应用等；

2) 能够进行伺服系统性能考核或评测；

3) 能够进行数据保存和曲线绘制等，为测试报告和论文编写提供材料支撑。

2 系统基本组成

实时仿真器

三相交流及母线电压信号

单相220V市电输入电机旋变信号

功率回路驱动三相动力输出

PWM及保护信号PMSM（伺服电机）图1 PMSM伺服电机半实物开发平台基本连接图

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伺服控制半实物开发平台主要包括三个部分：实时仿真器、伺服电机、功率回路驱动。

2.1 功率回路驱动

2.1.1 功率主电路

主要包含整流桥、软启动电路、制动电路（泄放电路）、缓冲电路、直流母线滤波电路、功率模块（IPM、MOSFET、IGBT）等。功率主电路的输入可根据具体使用要求选择使用三相220VAC、单相220VAC、三相380VAC，以及选配专用的3U或6U机柜式直流功率电源供电。其中IGBT的主要应用在IPM电流无法涵盖的情况，或降低系统成本，但保护功能实现较为复杂；MOSFET适用于低压情况；IPM适用于高压情况。

2.1.2 检测及信号调理电路

主要包括检测三相电流检测和母线电压检测及其信号调理，以及RDC/SDC激磁电源生成等。而RDC/SDC采用专用解码板卡完成角度检测和角速度计算。

2.1.3 保护电路（机制）

包括过流保护（OC）、短路保护（SC）、欠压保护（UV）、过压保护（OV）、开关管过温保护（OT）。

2.2 伺服电机

2.2.1 实体电机

所用电机适用于光电云台、武器跟踪操瞄、电动舵机、机器人、电动车等各种领域，如各种功率等级的交流永磁同步电机（PMSM）、交流异步电机、直流力矩电机、正弦波驱动的力矩电机（低速大转矩的PMSM）、永磁直流电机，以及开关磁阻电机等，其中包括三相电机、五相、多相特种电机等。

2.2.2 数字电机

数字电机是一组高精度电机数学模型库，可以在FPGA上执行，用于伺服控制器的HIL（hardware-in-the-loop）测试。首先，采集控制器输出的PWM驱动信号；2

然后，在FPGA上运行的某种特定电机数学模型，并将电机模型的电流、电角度等通过DA、CDR/CDS反相变化；最后，将FPGA输出信号调理成真实控制器所要求的反馈输入信号。数字电机可用于快速原型控制器的RCP验证（主要验证控制算法和数据接口），也可用户实际控制器的HIL测试（可验证真实控制器的电机控制性能）。

通过数字电机的接入，可在没有实际的被控对象前完成控制器设计和评估。同时避免了控制系统在未完善前，对功率回路通电由于控制不当所造成硬件损坏，从而提高系统研制或开发的效率。

2.3 实时仿真器

图2 实时仿真器外观图

Links-Box实时仿真器是一款小型化的半实物仿真设备，性能强大、接口丰富。既能满足试验室环境下使用，也能应用于现场宽温、震动等恶劣环境。

典型配置如下：

CPU

硬盘

内存

PCI插槽

重量

体积

工作环境

Intel® Core™ i5 2.7GHz双核处理器

500G SATA接口硬盘

4G DDR3 SDRAM

4个

4.0 kg

164 mm (W) x 225 mm (D) x 180 mm (H)

温度：-20°C ~ 60°C；

湿度：10%~90%，无凝结；

抗震：5Grms；

抗冲击：50Grms

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基本IO通道 

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16路单端或8路差分A/D；

1通道16位通用定时器/计数器；

16通道DI及16通道DO；

2通道12位多路DA；

4通道RS232/422/485串口；

2通道CAN接口。

电机控制卡：支持6路带死区时间设置的PWM输出；

RDC卡：2路旋变信号采集和模拟，支持出粗精组合，16位分辨率；

电机仿真卡：基于FPGA，实现电机和驱动器模型的高速解算。

电机专用IO 

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3 系统选配组件

3.1 位置闭环

可根据需要选择旋转变压器、自整角机、光电编码器、精密电位计等、减速机构够成伺服系统位置跟踪闭环。

3.2 力矩加载装置

可根据具体应用和要求选择电机直接力矩加载，电液加载等，力矩加载频率范围可在3Hz-25HZ，可设定加载力矩曲线，惯性负载可调，也可模拟传动系统的齿隙、摩擦等非线性。

3.3 伺服驱动故障诊断与重构

可完成对电机、功率桥、电流传感器、电机轴角度传感器器的状态进行自监控，通过滑模观测对其故障进行定位和判断，通过系统硬件的冗余设计对故障进行重构，提高系统的可靠性。

3.4 系统自动测量和状态监控

可对平台的控制电压、功率母线电压、电机线电流、相电压、线电压、PWM输出、电机电角度、电机转速、输出力矩、指令等进行测量，并显示。可产生正弦波、三角波、方波等信号。配有高精度AD采集，有专用信号处理的模块，能够对信号进行频谱分析。

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3.5 EMC加强设计

伺服系统属于功率电子，产生较大的EMC干扰，对使用环境中其他设备将产生不良影响，尤其功率越大情况越甚。对该控制仿真系统的采取了必要的EMC自兼容设计，保证该系统自身运行正常。而对特殊EMC需求，采取特别的措施抑制功率回路的共模干扰和差模干扰，以及设计高性能的电源滤波器和信号适配性较好的信号滤波板，对EMC的传导和辐射进行抑制。

3.6 特殊系统设计

3.6.1 光电云台跟踪系统

采用力矩电机，可定制双轴、三轴稳定跟踪平台，可配置光电跟踪系统、6自由度干扰平台、目标模拟器等。

3.6.2 电动舵机

采用永磁直流电机，根据不同的弹径和性能要求，定制电动舵机，可配置舵机加载装置。

3.6.3 武器战火力线跟踪瞄准系统

采用力矩伺服和高速伺服电机+减速机构方案构成高低向、方位向的双轴稳定跟踪系统，可配置6自由度干扰平台。

3.6.4 电动推进和电直驱系统

可选用特制电机，完成陆地、水下专用系统的定制。

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4 开发平台工作原理

系统设计系统集成测试快速控制原型RCP硬件在回路测试HIL产品实现

图3 伺服控制系统“V型”开发流程

如上图所示的伺服控制“V型”开发流程，区别于传统开发方式有如下明显区别：

 基于MBD（Model Bad Design）的设计思路贯穿系统开发的始终；

 通过数字仿真和半实物仿真手段，在系统开发的各阶段快速验证设计成果，尽早暴露设计缺陷，加快系统迭代速度。

4.1 系统设计

在系统设计早期，基于Matlab/Simulink等图形化工具来进行控制方案的设计并进行离线仿真。通过这种计算机辅助设计方式，可以直观获取系统设计效果，可以方便的实现不同设计方案的比对，同时避免文传统字说明的模糊性和理解性错误。

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图4 图形化建模及离线仿真

4.2 快速控制原型RCP

按现代设计方法，方案设计结束后，无须再象过去那样要花极大的耐心等待软件工程师进行手工编程，再由电子工程师将代码集成于硬件电路中，而是利用计算机辅助设计工具自动将控制方案框图转换为代码并自动下载到硬件开发平台中，从而快速实现控制系统的原型，并且包括了实际系统中可能包括的各种I/O，软件及硬件中断等实时特性。之后，就可以利用计算机辅助试验测试管理工具软件进行各种试验，以检验控制方案对实际对象的控制效果，并随时修改控制参数，直到得到满意的结果为止。即使是模型需要相当大的修改，从修改到下一次对原型的测试的也只需要几分钟的时间，而这几分钟的时间仅仅是鼠标点击操作和等待的时间而已。从而在最终实现控制方案之前，就已经对可能得到的结果有了相当的把握，避免了过多的资源浪费和时间消耗。

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图5 控制器快速原型（RCP）

4.3 产品代码实现

在完成快速控制原型（RCP的）的开发后，就可以借助功能强大的自动代码生成工具进行产品控制C代码的生成，以便快速完成产品控制器的开发。在这个阶段，可采用产品级代码生成工具将RCP阶段开发完成的算法模型直接生成DSP控制器所需的C代码。

图6 DSP目标代码生成

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4.4 硬件在回路测试HIL

硬件在回路测试(HIL)是一种可行的计算机辅助测试方法，通过HIL可以在虚拟环境中对新开发的伺服控制器实物进行大量测试，而无需真实的驱动电路和电机实物。这种测试系统实时性强，而且非常安全，即使测试中超过极限条件，也不会造成任何损坏。此外，不论何时，只要需要就可以重现控制器的错误。

硬件在回路仿真的优势是明显的：它可以在开发早期就提高产品的质量。一家著名的日本车辆制造商曾高度评价硬件在回路仿真的作用，他们说：硬件在回路测试可以发现90﹪的控制器错误，而且几乎所有的错误都可以在标定之前发现。

图7 硬件在回路测试（HIL）

4.5 系统集成测试

作为伺服控制系统开发的最后阶段，将控制器、功率回路驱动和伺服电机进行全实物系统集成，按照系统设计指标逐项测试系统的最终工作性能。

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