dSPACE實時仿真系統(tǒng)是一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實物仿真的軟硬件工作平臺，實現(xiàn)了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。dSPACE實時系統(tǒng)擁有實時性強，可靠性高，擴充性好等優(yōu)點。dSPACE硬件系統(tǒng)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(jù)需要進行組合；軟件環(huán)境的功能強大且使用方便，包括實現(xiàn)代碼自動生成/下載和試驗/調(diào)試的整套工具。dSPACE軟硬件目前已經(jīng)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(tǒng)是一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實物仿真的軟硬件工作平臺，實現(xiàn)了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。dSPACE實時系統(tǒng)擁有實時性強，可靠性高，擴充性好等優(yōu)點。dSPACE硬件系統(tǒng)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(jù)需要進行組合；軟件環(huán)境的功能強大且使用方便，包括實現(xiàn)代碼自動生成/下載和試驗/調(diào)試的整套工具。dSPACE軟硬件目前已經(jīng)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(jié)構(gòu)

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

　　dSPACE的硬件系統(tǒng)

　　針對不同的用戶，dSPACE可分為標準組件系統(tǒng)和單板系統(tǒng)。標準組件系統(tǒng)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(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)運算速度、內(nèi)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(tǒng)本身就是一個完整的實時仿真系統(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)計的大多數(shù)I/O（如A/D、D/A等），為配合驅(qū)動應用需求，配有PWM信號發(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，用于實現(xiàn)對用戶設(shè)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(nèi)數(shù)據(jù)緩存和片內(nèi)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(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，它通過雙端口存儲器（DualPortRAM）與PPC相連。這個內(nèi)置的DSP能夠產(chǎn)生PWM信號，并且具有14位的數(shù)字I/O口。

　　dSPACE的軟件系統(tǒng)

　　dSPACE實時仿真系統(tǒng)允許用戶實時地調(diào)整控制器參數(shù)和運行環(huán)境，并提供各種各樣的參數(shù)顯示方式。dSPACE的實時仿真系統(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)計平臺MATLAB/Smiulink、dSPACE實時仿真系統(tǒng)及外部真實環(huán)境和設(shè)備。其中，RTI（RealTmieInterface）是連接dSPACE實時系統(tǒng)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(shè)計控制器的Smiulink模型，通過對RTW（RealTmieWorkshop）進行擴展，實現(xiàn)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(shè)備連接，交互控制信息與反饋信息，監(jiān)控測試軟件，提供對試驗過程的綜合管理，在線調(diào)整參數(shù)，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(tǒng)的3個部分，dSPACE軟件系統(tǒng)相應地也由3個模塊組成：算法開發(fā)模塊，實時運行模塊及實時測試和監(jiān)控模塊。算法開發(fā)包括在Simulink里設(shè)計在線模型或用C語言編寫模型代碼; 實時運行模塊依據(jù)算法開發(fā)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(jiān)控模塊由dSPACE系統(tǒng)提供的用戶界面軟件ControlDesk來完成，利用ControlDesk實現(xiàn)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(jiān)視、虛擬儀表的建立以及與實時程序進行動態(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、訪問與實時操作相關(guān)的變量等參數(shù)的可視化管理。

　　dSPACE在BLDCM控制系統(tǒng)中的應用

　　無刷直流電機控制的一個關(guān)鍵問題是要解決電子換向控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。本研究以無刷直流電機控制為例來研究dSPACE在線仿真設(shè)計問題。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(shè)計、實時代碼的生成、下載以及實驗仿真。上部即物理設(shè)備，包括無刷直流電機、電機驅(qū)動器以及dSPACE控制卡。無刷直流電機控制系統(tǒng)根據(jù)實際需要采用數(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、脈沖計數(shù)部分及相應的輸入/輸出由dSPACE系統(tǒng)的RTI模塊庫中的相應模塊替代，使整個控制系統(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(diào)制信號、脈沖計數(shù)和D/A轉(zhuǎn)換。

　　在MATLAB/Simulink中建立控制系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)動放大器相連以直接控制轉(zhuǎn)速），構(gòu)成半實物仿真系統(tǒng)的控制回路。為了實時調(diào)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(tǒng)建模仿真提供了直觀方便的計算機環(huán)境，它可以通過一系列模塊的連接，構(gòu)成復雜的系統(tǒng)模型。dSPACE仿真平臺與MATLAB實現(xiàn)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(shè)計過渡到實時分析、設(shè)計，并通過對不同算法和參數(shù)的驗證，設(shè)計出更好的控制器，應用于系統(tǒng)控制。

　　利用dSPACE提供的半實物仿真開發(fā)平臺，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)計和調(diào)試。同時，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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)與軟件開發(fā)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(shè)置。同時通過對RTW進行擴展，可實現(xiàn)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(shè)計過程并能迅速完成設(shè)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(zhí)行

　　指定部分模型為軟件中斷

　　指定部分模型為硬件中斷

　　指定中斷及定時任務的優(yōu)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(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，及共享存儲區(qū)方式

　　允許處理器之間進行中斷

　　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)。

　　當系統(tǒng)比較復雜，單處理器系統(tǒng)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(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計、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允許用拖放方式對系統(tǒng)模型進行分割，每一個子系統(tǒng)均可進行單獨調(diào)整。

　　不論用何種方式（手動或自動）生成實時系統(tǒng)，都需要一個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)。

　　當模型下載至dSPACE中后，就需要用實驗軟件對系統(tǒng)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(huán)境ControlDesk

　　ControlDesk是dSPACE開發(fā)的新一代實驗工具軟件。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RTI實現(xiàn)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(xiàn)：

　　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(shù)的可視化管理

　　實驗過程自動化

　　實現(xiàn)自動試驗及參數(shù)調(diào)整的MLIB和MTRACE

　　利用MLIB和MTRACE，可以大大增強dSPACE實時系統(tǒng)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(shù)字計算及圖形能力進行順序自動測試、數(shù)據(jù)記錄和控制參數(shù)的優(yōu)化。

　　MLIB和MTRACE聯(lián)合使用可組成一個完美的整體。有MATLAB強大的計算能力做支持，可以自動執(zhí)行所能想到的任何試驗。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自動計算出新的控制器參數(shù)，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(xiàn)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(jié)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(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(lián)系。CLIB包括一整套的C函數(shù)，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(tǒng)和組件系統(tǒng)，對于控制系統(tǒng)仿真來說，需要選擇組件系統(tǒng)來完成如此復雜的功能。

　　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(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(jù)自己的需求進行選擇，具體的型號和功能參見dSPACE產(chǎn)品手冊。

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