西安交通大学：《电磁器件及系统的分析》研究生课程教学资源（课件讲稿）第七章 电磁系统实时仿真分析

电磁器件及系统的分析(第七章电磁系统实时仿真分析）西安交通大学电气工程学院梁得亮、杜锦华

电磁器件及系统的分析 (第七章 电磁系统实时仿真分析) 西安交通大学电气工程学院 梁得亮、杜锦华

硬件实时仿真技术硬件实时仿真技术是近年来电磁系统设计、分析和调试实验的重要进展之一·典型代表：dSPACE实时仿真系统是德国dSPACE公司开发的一套基于Matlab/Simulink的控制系统开发及测试平台·包括具有高速计算能力的硬件系统和方便易用的实现代码生成、下载和试验调试的软件环境7.1.1dSpace体系结构：1)软件(1)实现软件dSPACE实现软件的代码生成方式有两种一种是基于Matlab/Simulink的自动代码生成工具RTW（Real-TimeWorkshop）另外一种是人工编写C代码。·RTW通过Matlab/Simulink方框图自动生成C代码，RTW与dSPACE的RTI（Real-TimeInterface）联合可完成Matlab/Simulink方框图到dSPAcE实时硬件的无缝转换，由于第一种方式充分利用基于模型设计的开发理念，因此一般使用第一种方式生成代码

7.1 硬件实时仿真技术 •硬件实时仿真技术是近年来电磁系统设计、分析和调试实验的重要进展之一 •典型代表:dSPACE实时仿真系统是德国dSPACE公司开发的一套基于 Matlab/Simulink的控制系统开发及测试平台 •包括具有高速计算能力的硬件系统和方便易用的实现代码生成、下载和试验、 调试的软件环境 7.1.1 dSpace 体系结构: 1)软件 (1)实现软件 dSPACE实现软件的代码生成方式有两种 •一种是基于Matlab/Simulink的自动代码生成工具RTW(Real-Time Workshop)， •另外一种是人工编写C代码。 •RTW通过Matlab/Simulink方框图自动生成C代码，RTW与dSPACE的RTI(Real￾Time Interface)联合可完成Matlab/Simulink方框图到dSPACE实时硬件的无 缝转换，由于第一种方式充分利用基于模型设计的开发理念，因此一般使用 第一种方式生成代码

7.1硬件实时仿真技术(2)实验软件dSPACE实验软件包括ControIDesk综合实验环境MLIB/MTRACE自动试验及参数调整软件、CLIBPC与实时处理器通信、AutomationDesk自动化测试工具和MotionDesk实时动画(3)）产品代码生成软件TargetLink是dSPACE开发的一种新型代码生成工具，可以在几秒内完成代码生成。TargetLink可直接从Matlab/Simulink/Stateflow生成代码，其生成的代码可靠性高，易读性好。TargetLink可产生定点运算代码，适应多种微处理器和编译器。与传统的手工代码相比，TargetLink具有很多的优越性

(2)实验软件 dSPACE实验软件包括ControlDesk综合实验环境、 MLIB/MTRACE自动试验及参数调整软件、CLIB PC与实时处 理器通信、AutomationDesk自动化测试工具和MotionDesk 实时动画 . (3)产品代码生成软件 TargetLink是dSPACE开发的一种新型代码生成工具，可以在 几秒内完成代码生成。TargetLink可直接从 Matlab/Simulink/Stateflow生成代码，其生成的代码可靠 性高，易读性好。TargetLink可产生定点运算代码，适应 多种微处理器和编译器。与传统的手工代码相比， TargetLink具有很多的优越性 。 7.1 硬件实时仿真技术

7.1硬件实时仿真技术2)dSPACE硬件dSPACE硬件主要分为单板系统、组件系统以及其它附件(1）智能化单板系统单板系统将处理器CPU和外围1/0电路集成于一个板卡上，形成一个完整的实时仿真系统。单板系统的特点是方便灵活、价格适当，适合于一般的开发和实时仿真，其主要面向快速控制原型用户。dSPACE具有DS1103和DS1104两种单板系统(2）标准组件系统组件系统将处理器和1/0分别设计于两个硬件卡上，可根据用户的应用情况进行扩展，可使用多块处理器板、多种1/0板，可组成多处理器系统，扩展计算能力、内存及1/0能力，可适应特别复杂应用。dSPACE标准组件板必须至少配置一块处理器板，标准组件系统都是以DS1005或DS1006为核心制造，处理器板通过高速32位总线（PHS总线）提供到I/0板的接口，通过ISA总线提供到主机的硬件接口

7.1 硬件实时仿真技术 2)dSPACE硬件 dSPACE硬件主要分为单板系统、组件系统以及其它附件 (1)智能化单板系统 单板系统将处理器CPU和外围I/O电路集成于一个板卡上，形成 一个完整的实时仿真系统。单板系统的特点是方便灵活、价格适 当，适合于一般的开发和实时仿真，其主要面向快速控制原型用 户。dSPACE具有DS1103和DS1104两种单板系统 (2)标准组件系统 组件系统将处理器和I/O分别设计于两个硬件卡上，可根据用 户的应用情况进行扩展，可使用多块处理器板、多种I/O板，可 组成多处理器系统，扩展计算能力、内存及I/O能力，可适应特 别复杂应用。dSPACE标准组件板必须至少配置一块处理器板，标 准组件系统都是以DS1005或DS1006为核心制造，处理器板通过高 速32位总线（PHS总线）提供到I/O板的接口，通过ISA总线提供 到主机的硬件接口

7.1硬件实时仿真技术7.1.2基于dSPACE的控制系统开发方法dSPACE为流线型控制系统开发提供了一套计算机辅助控制系统设计工具包CDP（ControlDevelopmentPackage），CDP主要包含MATLAB、Simulink、RTW、RTI和dSPACE的系列软件工具。·MATLAB可对系统模型进行分析、设计、优化和数据的离线处理：Simulink可建立系统的方框图，并对控制系统进行离线仿真：?RTW将方框图模型直接生成C代码：·RTI使代码可在单处理器/多处理器目标系统中运行；?dSPACE系列软件工具可对闭环试验进行交互操作。利用CDP，可完成从系统建模、分析、离线仿真直至实时仿真的控制系统开发全过程

7.1 硬件实时仿真技术 7.1.2基于dSPACE的控制系统开发方法 dSPACE为流线型控制系统开发提供了一套计算机辅助控制系统设 计工具包CDP(Control Development Package)，CDP主要包含 MATLAB、Simulink、RTW、RTI和dSPACE的系列软件工具。 •MATLAB可对系统模型进行分析、设计、优化和数据的离线处理； •Simulink可建立系统的方框图，并对控制系统进行离线仿真； •RTW将方框图模型直接生成C代码； •RTI使代码可在单处理器/多处理器目标系统中运行； •dSPACE系列软件工具可对闭环试验进行交互操作。 利用CDP，可完成从系统建模、分析、离线仿真直至实时仿真的控 制系统开发全过程

7.1硬件实时仿真技术在MATLAB/Simulink环境下被控对象的数学模型设计系统控制器，对系统进行离线仿真保留Simulink方框图中需要下载到dSPACE的模块从RTI库选择实时测试所需的I/O，对I/O进行配置设计系统控制器，对系统进行离线首。基于MATLAB/Simulink的RTW自动生成目标系统的实际时C代码，通过RTW和dSPACE提供的RTI完成方框图到dSPACE实时硬件的转换+利用ControlDesk软件与实时控制器进行交互操作，可采集数据、观察和调整控制参数，跟踪过程响应曲线。如有需要，可以利用MLIB/MTRACE和MATLIB，实现参数的自动优化过程基于dSPACE的控制系统开发一般流程

7.1 硬件实时仿真技术 基于dSPACE的控制系统开发一般流程

7.1硬件实时仿真技术MATLAB/Simulink建立被控对象的理论模型ControlDeskMATLAB/Simulink采集数据、观察、修改变量设计被控对象的控制器实际被控对象MATLAB/SimulinkdSPACE设计被控对象的控制器MATLAB/SimulinkRTI通过RTI库配置系统IO，用硬件接口关系代替原理的逻实现Simulink框图至辑连接关系dSPACE实时硬件转换MATLAB/Simulink/RTW利用RTW自动生成目标系统的实时C代码基于dSPACE的控制系统开发过程

7.1 硬件实时仿真技术 基于dSPACE的控制系统开发过程

7.2基于dSPACE的双馈电机系统实时仿真模型发电机定子电网齿轮转子逆变器整流器MM-M撬棒电阻双馈风力发电机由风机，齿轮箱，发电机，转子变流器（整流器和逆变器）组成

7.2基于dSPACE的双馈电机系统实时仿真模型 双馈风力发电机由风机，齿轮箱，发电机，转子变流器（整流器和逆变器）组成

7.2基于dSPACE的双馈电机系统实时仿真模型7.21双馈风力发电机的模型1)风力发电机数学模型静止ABC坐标系中的磁链方程M.MiABC ABCssSTMTM4abcabcsIF-M.-M+L-M,-M,Ls + Lis-M.M. =-M,L + LrM..-M-M,Lss + Lis=-M,-M.L. + Lr-M,-M,Lss + Lis.Ms, cos(osr +1200)M,cos(0-120°)M..cosO.MM,cosesrM.cos(0+120°)M.cos(0r -120°)=Msr cos(0sr +120°) Msr cos(0sr-120°)M..cosO.将在静止ABC坐标系上表示的模型式变换为同步旋转dq坐标上的模型

7.2基于dSPACE的双馈电机系统实时仿真模型 7.2.1 双馈风力发电机的模型 1)风力发电机数学模型 T ABC ss sr ABC abc sr rr abc       =             ψ i i M M ψ M M 静止ABC坐标系中的磁链方程 ss ls s s ss s ss ls s s s ss ls L L M M M L L M M M L L   + − −   = − + −       − − + M ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) cos cos 120 cos 120 120 cos cos 120 cos 120 cos 120 cos cos sr sr sr sr sr sr sr sr sr sr sr sr sr sr sr sr sr s sr r M M M M M M M M M            +  −    = −  +      +  −    M rr lr r r rr r rr lr r r r rr lr L L M M M L L M M M L L   + − −   = − + −       − − + M 将在静止ABC坐标系上表示的模型式变换为同步旋转dq坐标上的模型

7.2基于dSPACE的双馈电机系统实时仿真模型CiagosMC,dqosMSSMTMC,iaqorC,dqor330000M+ Lis122asdkd33000-Mqsq22iosLiorYos00000330000M22VarVasU3130000iqr+LVas22i.iosor0000L

0 0 0 0 s dq s s dq s ss sr T r dq r r dq r sr rr C C C C           =         M M i ψ M ψ M i 7.2基于dSPACE的双馈电机系统实时仿真模型 0 0 0 3 3 0 0 0 0 2 2 3 3 0 0 0 0 2 2 0 0 0 0 0 ss ls sr ds ds dr qs ss ls qs sr qr s s r ls L L M i i L L i M i i i L        +                         = + +                           0 0 0 3 3 0 0 0 0 2 2 3 3 0 0 0 0 2 2 0 0 0 0 0 rr lr sr dr dr ds qr rr lr qr sr qs r r s lr L L M i i L L i M i i i L        +                         = + +                          