0 引言

    嵌入式控制系統(tǒng)應用廣泛，但設計復雜、人員分工細、角色多，設計各階段彼此孤立、重復勞動嚴重、投資大、開發(fā)周期長，手工編程的效率與出錯率人為因素大，查錯與修正的費用大。如何快速、高效、高性價比地開發(fā)出高質(zhì)量的嵌入式控制系統(tǒng)成為參與方的關注點?；谀Ｐ驮O計（Model-based Design，MBD）的系統(tǒng)開發(fā)理念就如嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)技術領域內(nèi)的變革一樣，逐漸為參與方所接受。

    雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)是典型的功率硬件型嵌入式控制系統(tǒng)，其控制方式靈活，在不同應用環(huán)境與不同控制目標下有著不同控制算法^[1-5]，但基本硬件拓撲結構變化不大，通過基于模型開發(fā)，可以大大提高理論算法到實物驗證的效率，也可以更低成本完成各種工況下的測試。

1 基于模型開發(fā)流程

    MBD將嵌入式控制系統(tǒng)分為控制對象、控制器、控制算法，這三者都具有不確定性，在系統(tǒng)設計的各個階段都需要完成三者比較全面的驗證^[6-10]。如圖1所示，主要過程可分為如下幾個在環(huán)驗證階段^[8-10]：

    (1)模型在環(huán)（Model In Loop，MIL）： 需求分析、系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)設計階段中進行溝通、需求確認，以及功能、拓撲結構與算法理論驗證。

    (2)軟件在環(huán)（Software In Loop，SIL）：通過代碼自動生成工具將MIL階段的模型生成相關平臺代碼，驗證代碼與原模型的執(zhí)行效果的一致性。

    (3)處理器在環(huán)（Processor In Loop，PIL）：SIL是離線非實時驗證，在實際控制執(zhí)行時，會受到實際平臺與控制對象的影響，尤其是處理器資源的制約，把代碼寫入目標處理器后，評估處理器方案。

    (4)快速原型開發(fā)平臺(Rapid Control Platform，RCP)：采用高性能的控制器，通過自動代碼生成工具將模型轉(zhuǎn)化為平臺代碼，加載后入環(huán)控制具體實物，以此迅速驗證控制算法、拓撲、閉環(huán)過程。

    (5)硬件控制器在環(huán)（Hardware In Loop，HIL）：原型的測試驗證會受制于實物環(huán)境、測試條件以及測試成本，采用通用控制器模擬控制對象。

    雙饋風電系統(tǒng)是典型的功率硬件型嵌入式控制系統(tǒng)，將MBD、RCP、HIL、電力電子組件單元(Power Electronic Building Blocks，PEBB)結合應用于雙饋風機仿真系統(tǒng)，有助于提高系統(tǒng)的研發(fā)效率。

2 雙饋風電半實物仿真系統(tǒng)結構

    雙饋型風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要由風機、齒輪箱、雙饋電機、機側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、LC濾波電路、隔離變壓器、電網(wǎng)等組成。系統(tǒng)拓撲如圖2所示。

    基于實驗成本與方便性考慮，風機、齒輪箱采用可編程控制的電拖平臺來模擬。本文采用三相異步電機YVP132M-4-7.5 kW，由通用型矢量變頻器ABB-ACS550-01-031A進行轉(zhuǎn)矩控制以模擬真實風機。采用定制的雙饋電機，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，功率5 kW，定子側(cè)電壓380 V，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓1 100 V。機側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器為對稱背靠背的IGBT三相橋，開關頻率為10 kHz，其控制由實際控制器與實時仿真器共同控制。實際控制器采用TMS320F28335為核心CPU方案與STM32F103為輔助人機接口控制，實時控制器可以選擇YXSPACE、DSPACE、NI通用控制器等實時快速原型控制器^[11-13]，本文以NI 通用控制器為實時仿真器進行控制。在硬件電路中將PWM驅(qū)動信號、保護信號、電壓電流模擬信號通過信號轉(zhuǎn)接板進行信號多通轉(zhuǎn)接，以實現(xiàn)實際控制器與實時仿真器在系統(tǒng)控制中能對等控制。各控制器執(zhí)行的功能根據(jù)實際研究進行相關配置。本例中PWM驅(qū)動輸出由實時仿真器控制，保護與邏輯由實際控制器控制。實時仿真器的程序采用Simulink仿真模型自動生成。電網(wǎng)部分可以采用雙向交流可編程模擬源或者真實電網(wǎng)，本文中采用真實電網(wǎng)，額定電壓380 V。

3 基于Simulink的離線仿真

    Simulink的離線仿真對應著MBD的MIL，系統(tǒng)的離線仿真模型主要由風速、風機、齒輪箱、雙饋電機、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、電網(wǎng)等組成，不同研究點，對各個模型的精確度要求并不完全一致^[13-17]。Simulink下建立的離線仿真模型如圖3所示，部分仿真波形如圖4所示。

4 風力模型的功率硬件在環(huán)仿真

    風力發(fā)電的實物驗證受環(huán)境、自然因素、天氣條件等影響，現(xiàn)場試驗困難重重^[14-17]，因此可以構建等效的模擬風機系統(tǒng)，來模擬實際風力機的工作特性。MIL與實際工況有較大的差距，仿真結果不足夠驗證實際，采用模擬等效風機系統(tǒng)，是真實的功率級信號，與實際更加逼近，后級的變流器與電網(wǎng)則與真實系統(tǒng)一致。本文采用矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)來模擬離線仿真模型中的風速、風機、齒輪箱，系統(tǒng)結構如圖5所示。上位機設置風速模型與風機模型，通過USB轉(zhuǎn)串口RS232與變頻器通信，矢量型變頻器獲得目標控制轉(zhuǎn)矩，控制異步電機輸出,轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩采集裝置通過以太網(wǎng)通信返回給上位機。

    矢量變頻器根據(jù)PC輸入的轉(zhuǎn)矩指令進行實時調(diào)整。通信接收、指令執(zhí)行兩個環(huán)節(jié)為硬件在環(huán)系統(tǒng)中的兩個瓶頸。自然界的風速變化一般都相對緩慢，秒級的模擬仿真步長可以逼近真實風速的情況，但若要暫態(tài)仿真研究風機特性，該仿真步長則會造成比較大的失真。因此HIL中硬件控制器的響應輸出特性與通信實時性是兩個關鍵性的指標。

5 變流器控制算法的快速原型開發(fā)

    本系統(tǒng)中雙饋電機的變流控制系統(tǒng)涉及兩部分：轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器，通過網(wǎng)側(cè)變流器可進行風力最優(yōu)跟蹤控制，通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器進行PQ解耦控制與并網(wǎng)合閘控制。本文僅以轉(zhuǎn)子側(cè)PQ解耦控制算法快速原型實現(xiàn)為例。

5.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制原理

    設定旋轉(zhuǎn)坐標系d軸為定子磁鏈方向，由此可以得到簡化的雙饋電機變量之間關系：  

    由式(1)分析可得，有功P₁與定子電流q軸分量i_qs成正比、無功Q₁與定子電流d軸分量 i_ds成正比，分別調(diào)節(jié)i_qs、i_ds即可實現(xiàn)對解耦控制。

    轉(zhuǎn)子側(cè)電流、電壓方程如下：

    轉(zhuǎn)子側(cè)變流器矢量控制如圖7所示，其中包含功率、電流兩個閉環(huán)控制。在功率外環(huán)中，有功指令P^*由功率追蹤控制模塊根據(jù)風力機的實際轉(zhuǎn)速w_r給出，無功指令Q^*根據(jù)有關的無功控制方法得出。

5.2 Simulink控制模型分割

    在Simulink離線仿真基礎上，將轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制部分模型進行分割，分割時要與實時仿真器的輸入輸出接口進行對應，例如三相電壓，需要分別分離出A、B、C三相電壓輸入接口，PWM信號的輸出需要與實際控制器件開通電平一致，并要進行死區(qū)設置。在離線仿真模型中速度是一個參數(shù)，但在實際測試中速度需要通過速度傳感器測試獲得，這就要在模型中進一步模擬編碼器脈沖信號獲得速度信號的功能，分割后的仿真模型如圖8所示。

5.3 實時控制器代碼生成

    采用Simulink中代碼生成器可以對分離后的模型進行編譯生成目標主機的代碼或者動態(tài)庫。在生成代碼步驟中，需要與實際硬件條件進行結合，在離線仿真中，非實時控制，仿真步長理論上可以設置得無限小，不同的計算機平臺執(zhí)行時間也不完全一致，而在實際控制過程中計算步長的時間需要考慮實際執(zhí)行時間，設定的步長時間如1×10^-4 s，就需要實際硬件平臺在實際1×10^-4 s內(nèi)完成一個積分周期的運算與處理，硬件平臺的處理能力、實際模擬量的采樣速度、控制對象實際執(zhí)行周期、多處理器之間的通信延時都會是實際控制過程中的可控制周期的瓶頸。Simulink提供了強大的交叉編譯的代碼生成集成工具，如圖9所示。

5.4 程序加載與端口綁定

    通過代碼生成工具可獲得原模型對應的動態(tài)鏈接庫（DLL）文件或者可燒寫的文件，若采用YXSPACE在Simulink環(huán)境下即可完成TI的硬件連接與程序燒寫，若采用NI的通用控制器可以采用遠寬的RT-SIM或者NI的VERISTAND與NI控制器進行連接，導入DLL后，完成程序的燒寫。DLL程序的輸入、輸出參量需要與實際硬件一一對應。

5.5 人機界面

    端口綁定完畢后，搭建需要的人機控制界面，RT-SIM下提供了5類基本控件，分別是調(diào)節(jié)框、按鈕、靜態(tài)框、指示燈、示波器，根據(jù)需要將待控制或者待顯示參量進行綁定設置。人機界面中主要完成初始參數(shù)設置，PWM驅(qū)動使能控制以及波形輸出顯示。

5.6 實時測控

    對相關控制參量進行設置，設置結束后即可以聯(lián)機實驗。設置轉(zhuǎn)子初始位置參數(shù)、有功參考指令值、無功參考指令值，通過示波器查看定子電壓和電網(wǎng)電壓，定子電壓建立與電網(wǎng)重合后，可以合閘，即可實現(xiàn)空載并網(wǎng)過程。調(diào)整有功設定值，即可調(diào)整并網(wǎng)功率。通過上位機調(diào)整風速輸出，可以靈活觀察發(fā)電機的各種工況，例如從亞同步到超同步過程，控制效果如圖10所示。

6 結論

    基于模型設計開發(fā)能夠大大提高嵌入式控制系統(tǒng)的理論到實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化效率，能夠極大地提高嵌入式系統(tǒng)設計與測試效率，MATLAB提供了MBD的集成開發(fā)環(huán)境以及相關代碼生成工具。本文采用基于模型設計開發(fā)的理念設計了硬件在環(huán)雙饋風機并網(wǎng)半實物仿真實驗系統(tǒng)，該實驗系統(tǒng)采用PC設定風速模型、風機模型，經(jīng)過運算以后獲得模擬風機系統(tǒng)的目標轉(zhuǎn)矩，通過與矢量變頻器遠程串口通信控制異步電機的轉(zhuǎn)矩輸出以在環(huán)仿真風機系統(tǒng)（HIL），秒級的仿真步長能夠真實地逼近風機輸出的轉(zhuǎn)矩曲線；雙饋電機的變流系統(tǒng)采用PEBB理念，背靠背雙PWM控制，由NI的通用控制器執(zhí)行算法，進行PWM驅(qū)動輸出，由TI-F28335 CPU為平臺構成的實際控制器執(zhí)行保護與邏輯、測量等一些輔助操作，根據(jù)實際研究的需要，可合理分配通用控制器與實際控制器的控制功能，輔助控制器能夠很好地輔助通用控制器進行算法驗證。該系統(tǒng)能夠很好地提高雙饋風機并網(wǎng)系統(tǒng)的算法研究以及各種工況下測試的效率。

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作者信息:

張卿杰1，2，陸廣香1，徐  友3，左  楠4，張澄宇2

（1.東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京210031；2.南京農(nóng)業(yè)大學 工學院,江蘇 南京210000；

3.南京工程學院 自動化學院,江蘇 南京210000；4.南京研旭電氣科技有限公司，江蘇 南京210000）