dSPACE實時仿真系統是一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及半實物仿真的軟硬件工作平臺，實現了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。dSPACE實時系統擁有實時性強，可靠性高，擴充性好等優點。dSPACE硬件系統中的處理器具有高速的計算能力，并配備了豐富的I/O支持，用戶可以根據需要進行組合；軟件環境的功能強大且使用方便，包括實現代碼自動生成/下載和試驗/調試的整套工具。dSPACE軟硬件目前已經成為進行快速控制原型驗證和半實物仿真的首選實時平臺。

　　dSPACE實時仿真系統是一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及半實物仿真的軟硬件工作平臺，實現了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。dSPACE實時系統擁有實時性強，可靠性高，擴充性好等優點。dSPACE硬件系統中的處理器具有高速的計算能力，并配備了豐富的I/O支持，用戶可以根據需要進行組合；軟件環境的功能強大且使用方便，包括實現代碼自動生成/下載和試驗/調試的整套工具。dSPACE軟硬件目前已經成為進行快速控制原型驗證和半實物仿真的首選實時平臺。

　　dSPACE體系結構

　　dSPACE實時仿真系統是由德國dSPACE公司開發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及測試用的工作平臺，實現了和MATLAB/Simulink的完全無縫連接。dSPACE實時系統擁有高速計算能力的硬件系統（包括處理器、I/O等），還擁有方便易用且能實現代碼生成、下載、試驗和調試的軟件環境。

　　dSPACE的硬件系統

　　針對不同的用戶，dSPACE可分為標準組件系統和單板系統。標準組件系統是把處理器板、I/O板分開，并提供多個系列和品種，允許用戶根據特定需求隨意組裝，可以使用多塊處理器板、多塊（多種）I/O板，使系統運算速度、內存和I/O能力均可大大擴展，從而滿足復雜的應用之需。單板系統本身就是一個完整的實時仿真系統，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計的大多數I/O（如A/D、D/A等），為配合驅動應用需求，配有PWM信號發生器等。

　　單板系統DS1104的硬件結構圖，如圖1所示。dSPACE系統的硬件主要包括基于PowerPC和DSP的處理器芯片，用于實現對用戶設計的算法或仿真模型的實時運行。PowerPC的時鐘頻率為250MHz，并提供16kB的片內數據緩存和片內指令緩存。存儲器包括8MB的閃存和32MB的SDRAM主存儲器。為了滿足硬件在回路仿真時的需要，DS1104提供了8通道A/D轉換，8通道D/A轉換，20位數字I/O口以及同步串行接口。DS1104單板系統內置了TEXAS公司的TMS320F240DSP芯片，它通過雙端口存儲器（DualPortRAM）與PPC相連。這個內置的DSP能夠產生PWM信號，并且具有14位的數字I/O口。

　　dSPACE的軟件系統

　　dSPACE實時仿真系統允許用戶實時地調整控制器參數和運行環境，并提供各種各樣的參數顯示方式。dSPACE的實時仿真系統主要由3部分組成，如圖2所示，分別為控制系統算法設計平臺MATLAB/Smiulink、dSPACE實時仿真系統及外部真實環境和設備。其中，RTI（RealTmieInterface）是連接dSPACE實時系統與MATLAB/Smiulink的紐帶，用戶通過將RTI庫中的模型與MATLAB/Smiulink配合使用，設計控制器的Smiulink模型，通過對RTW（RealTmieWorkshop）進行擴展，實現了從Smiulink模型到SPACE實時硬件代碼的無縫自動下載。dSPACE實時硬件負責與外部設備連接，交互控制信息與反饋信息，監控測試軟件，提供對試驗過程的綜合管理，在線調整參數，建立用戶虛擬儀表，實時觀測控制效果。

　　針對dSPACE實時仿真系統的3個部分，dSPACE軟件系統相應地也由3個模塊組成：算法開發模塊，實時運行模塊及實時測試和監控模塊。算法開發包括在Simulink里設計在線模型或用C語言編寫模型代碼; 實時運行模塊依據算法開發的不同形式，相應地也有2種方式：基于Simulink的模型在RTW和RTI的支持下自動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運行dSPACE提供的批處理命令完成上述功能;！實時測試和監控模塊由dSPACE系統提供的用戶界面軟件ControlDesk來完成，利用ControlDesk實現對實時硬件的圖形化管理，包括新硬件的注冊管理、控制實時程序的啟動和停止及差錯監視、虛擬儀表的建立以及與實時程序進行動態數據交換、訪問RTI生成的變量文件、在變量和虛擬儀表之間建立聯系、訪問與實時操作相關的變量等參數的可視化管理。

　　dSPACE在BLDCM控制系統中的應用

　　無刷直流電機控制的一個關鍵問題是要解決電子換向控制器的設計和實現。本研究以無刷直流電機控制為例來研究dSPACE在線仿真設計問題。其控制系統原理圖，如圖3所示，它是由PID控制器、脈寬調制器（PWM）、功率放大器、無刷直流電機及光電碼盤組成的一個速度反饋控制回路。

　　無刷直流電機半實物連接圖，如圖4所示，圖中下部方框是PC機部分，用于在線模型的設計、實時代碼的生成、下載以及實驗仿真。上部即物理設備，包括無刷直流電機、電機驅動器以及dSPACE控制卡。無刷直流電機控制系統根據實際需要采用數字PID調節器，如圖5所示。

　　控制系統中的PWM脈寬調制部分、脈沖計數部分及相應的輸入/輸出由dSPACE系統的RTI模塊庫中的相應模塊替代，使整個控制系統完全在Simulink下建模，如圖6所示。

? ? ? ? 圖中，DS1104SL,DSP,PWM、DS1104SL,DSP,F2D、DS1104DAC,C13個模塊都是由RTI模塊庫提供的，它們的功能分別是提供PWM脈寬調制信號、脈沖計數和D/A轉換。

　　在MATLAB/Simulink中建立控制系統半實物仿真模型之后，對其進行代碼生成、編譯及下載。同時將dSPACE的硬件系統與外部受控對象（無刷直流電機）對應的控制端口相連（如DS1104SL,DSP,F2D與測速碼盤輸出相連，DS1104SL,DSP,PWM模塊與驅動放大器相連以直接控制轉速），構成半實物仿真系統的控制回路。為了實時調試控制效果，通過dSAPCE的測試軟件建立虛擬儀表，如圖7所示。

　　Simulink為復雜系統建模仿真提供了直觀方便的計算機環境，它可以通過一系列模塊的連接，構成復雜的系統模型。dSPACE仿真平臺與MATLAB實現了無縫連接，使廣大MATLAB用戶可以輕松地掌握dSPACE的使用，從而方便地從非實時分析、設計過渡到實時分析、設計，并通過對不同算法和參數的驗證，設計出更好的控制器，應用于系統控制。

　　利用dSPACE提供的半實物仿真開發平臺，可方便快捷地構建控制系統的模型，完成控制系統的設計和調試。同時，模型參數的修改、代碼的生成及下載也非常方便，完全避免了過去因為局部改動就要多花費幾周甚至幾個月的時間進行代碼修改和重新測試的不便，提高了工作效率。

　　控制系統實時仿真過程中用到的工具

　　在實時仿真中，我們使用dSPACE平臺。它是一個由軟硬件綜合系統，它的軟件可以和MATLAB無縫集成，使用起來非常方便。dSPACE軟件系統由代碼生成及下載軟件和實驗軟件兩大部分組成，首先介紹代碼生成及下載軟件RTI和PPC編譯器。

　　RTI是連接dSPACE實時系統與軟件開發工具MATLAB/Simulink之紐帶。RTI對Simulink庫進行了擴展，利用這些框圖可以無需寫任何代碼就能完成包括I/O接口及初始化過程的全部設置。同時通過對RTW進行擴展，可實現從Simulink模型到dSPACE實時硬件代碼的無縫自動下載。這可使用戶完全致力于實際設計過程并能迅速完成設計的更改，費力的手工編程已成為過去。

　　除標準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執行

　　指定部分模型為軟件中斷

　　指定部分模型為硬件中斷

　　指定中斷及定時任務的優先級

　　支持單采樣頻率和多采樣頻率

　　支持單任務模式和多任務模式

　　另外，RTI還充分考慮了實際工程應用中可能遇到的各種問題，如：

　　通過附加手段解決采樣頻率不同的模塊之間數據傳送的不一致性

　　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據通訊協議，可采用：同步BUFFER，異步BUFFER，及共享存儲區方式

　　允許處理器之間進行中斷

　　RTI可以處理連續系統、離散系統、混合系統和多采樣頻率系統。

　　當系統比較復雜，單處理器系統難以完成時，需要多個處理器并行工作。這時，就需要RTI-MP的幫助以完成多處理器系統的系統設計、建立多處理器網絡結構（包括處理器之間的通訊）。RTI-MP允許用拖放方式對系統模型進行分割，每一個子系統均可進行單獨調整。

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

　　當模型下載至dSPACE中后，就需要用實驗軟件對系統進行仿真測試了，此過程中用到的實驗軟件主要有：

　　綜合實驗環境ControlDesk

　　ControlDesk是dSPACE開發的新一代實驗工具軟件。雖然控制器的開發及仿真模型的建立還是使用MATLAB/SIMULINK，但是，一旦模型已經通過RTI實現并下載到實時硬件中，余下的就是ControlDesk的事了。ControlDesk將提供對實驗過程的綜合管理。利用ControlDesk可以實現：

　　實驗過程自動化

　　用戶虛擬儀表的建立

　　變量的可視化管理

　　參數的可視化管理

　　實驗過程自動化

　　實現自動試驗及參數調整的MLIB和MTRACE

　　利用MLIB和MTRACE，可以大大增強dSPACE實時系統的自動實驗能力。使用這兩個庫可在不中斷試驗的情況下從MATLAB通過M編程直接訪問dSPACE板上運行的應用程序中的變量。甚至無需知道變量的地址，有變量名就足夠了。這樣就可以利用MATLAB的數字計算及圖形能力進行順序自動測試、數據記錄和控制參數的優化。

　　MLIB和MTRACE聯合使用可組成一個完美的整體。有MATLAB強大的計算能力做支持，可以自動執行所能想到的任何試驗。比如控制器的優化：用MTRACE記錄數據，然后將數據傳送給MATLAB。MATLAB自動計算出新的控制器參數，并通過MLIB送回處理器板或控制板。

　　MLIB和MTRACE也可以和ControlDesk同時使用。

　　實時動畫軟件MotionDesk

　　通常情況下，實時仿真過程的可視化是通過記錄時間響應或儀表顯示來實現的。不過，這些方法多少有些抽象。利用MotionDesk，仿真與真實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畫效果。仿真的任何改變所引起的結果都可以立即在屏幕上顯示出來。

　　與實時處理器通訊的CLIB---PC

　　每一個實時仿真試驗都需要在主機和控制器/處理器之間進行交互操作，如：改變參數、記錄數據、在線顯示等。dSPACE的ControlDesk及其它工具為大部分的控制任務提供了全面的解決方案。

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

　　CLIB可在其他工具和實時硬件之間建立聯系。CLIB包括一整套的C函數，可用來建立用戶主界面，完成各種處理器控制功能，訪問處理器存儲器。它可從變量的符號名自動尋找其地址。CLIB允許多個程序（包括dSPACE工具和dSPACE以外的工具）同時訪問處理器。

　　除了軟件，Dspace還為用戶提供了豐富的硬件資源，分為單板系統和組件系統，對于控制系統仿真來說，需要選擇組件系統來完成如此復雜的功能。

　　dSPACE根據控制系統的各種接口需要可以提供組件系統來滿足系統的需求。組件系統的核心是處理器板DS1005，它有強大的運算能力和I/O管理能力，運算能力可達12.6 SPECfp95，21.8 SPCEint95。使用了Motorola公司的PowerPC750（933MHz）作為處理器，共2KWords的片內數據緩存及32KWords的片內指令緩存。處理器板上還有16MByte閃存和128M SRAM主存儲器。該板通過快速32位總線（PHS總線）提供到各種I/O板的接口，通過不同形式總線（ISA、PCI、PCMCIA、Ethernet）到主機的硬件接口。

　　另外，dSPACE還提供多種IO板卡方便用戶的使用，用戶應根據自己的需求進行選擇，具體的型號和功能參見dSPACE產品手冊。

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