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(qiáng)，可靠性高，擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)行組合；軟件環(huán)境的功能強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)，可靠性高，擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)行組合；軟件環(huán)境的功能強(qiáng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)和單板系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)算速度、內(nèi)存和I/O能力均可大大擴(kuò)展，從而滿足復(fù)雜的應(yīng)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(yīng)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(yùn)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(yùn)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(jìn)行擴(kuò)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(fù)責(zé)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(yīng)地也由3個模塊組成：算法開發(fā)模塊，實時運(yùn)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(yùn)行模塊依據(jù)算法開發(fā)的不同形式，相應(yīng)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(yùn)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(jìn)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(yīng)用

　　無刷直流電機(jī)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(jī)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(jī)及光電碼盤組成的一個速度反饋控制回路。

　　無刷直流電機(jī)半實物連接圖，如圖4所示，圖中下部方框是PC機(jī)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(jī)、電機(jī)驅(qū)動器以及dSPACE控制卡。無刷直流電機(jī)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(yīng)的輸入/輸出由dSPACE系統(tǒng)的RTI模塊庫中的相應(yīng)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(jìn)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(jī)）對應(yīng)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(fù)雜系統(tǒng)建模仿真提供了直觀方便的計算機(jī)環(huán)境，它可以通過一系列模塊的連接，構(gòu)成復(fù)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(yīng)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(fèi)幾周甚至幾個月的時間進(jìn)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M(jìn)ATLAB/Simulink之紐帶。RTI對Simulink庫進(jìn)行了擴(kuò)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(jìn)行擴(kuò)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(fèi)力的手工編程已成為過去。

　　除標(biāo)準(zhǔn)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(wù)的優(yōu)先級

　　支持單采樣頻率和多采樣頻率

　　支持單任務(wù)模式和多任務(wù)模式

　　另外，RTI還充分考慮了實際工程應(yīng)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(jìn)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(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)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(jìn)行分割，每一個子系統(tǒng)均可進(jìn)行單獨(dú)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(dāng)模型下載至dSPACE中后，就需要用實驗軟件對系統(tǒng)進(jìn)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(qiáng)dSPACE實時系統(tǒng)的自動實驗?zāi)芰ΑＪ褂眠@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(yùn)行的應(yīng)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(jìn)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(qiáng)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(yīng)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(jī)和控制器/處理器之間進(jìn)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(wù)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(jìn)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(fù)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(qiáng)大的運(yùn)算能力和I/O管理能力，運(yùn)算能力可達(dá)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(jī)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(yīng)根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇，具體的型號和功能參見dSPACE產(chǎn)品手冊。

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