孔晨，傅平
（温州大学 电气与电子工程学院，浙江温州，325035）
0 引言
传统的电机控制策略方法通常是基于dSPACE 或单片机的软件编程方法得以实现的。利用dSPACE 与 MATLAB/Simulink 可以实现无缝连接的优势，将离线仿真模型通过试验进行快速验证，提高电机控制系统开发效率，缩短项目开发周期[1]，但是dSPACE 设备较为昂贵，性价比略低，且当要对dSPACE 系统扩展功能进行比较复杂的修改时，会对系统带来一些影响；单片机具有低成本、体积小、低损耗等特点，在操作层面，单片机操作十分简单，所以对操作者的能力没有过于严格的要求，且具有极强的自适应能力[2]。但存储空间有限、一些功能需要靠扩展来完成，保护能力略差；而RTU 仿真平台不但继承了两者的优点，而且成本较低，提高了性价比及工作效率，广泛应用于电机控制等领域。
1 RTU 半实物仿真平台
RTU 控制器由南京瑞途优特信息科技有限公司开发，是一套基于Simulink 的控制系统开发、测试及半实物仿真的软硬件工作平台。RTU 数字控制器可以极大地提高系统的实时性与稳定性，并且计算较为迅速、准确生成代码、界面环境相对友好，其最显着的特点就是无需手动编程就可以快速、有效地开发、调控复杂的控制算法。RTU 数字控制器的实物机箱如图1 所示。
图1 RTU 机箱
RTU 控制器的核心是RTU-BOX—实时数字控制系统，其具有高速的计算能力，丰富的输入输出接口；通过与Simulink 连接可以完成各种复杂算法的研究与开发，将搭建好的模型自动生成代码并下载至硬件，通过与实物互连完成实验验证。
2 RTU 仿真平台优势
RTU 仿真平台具有较高的实用价值，性价比高，能够更多地考虑实际问题。和DSP 相比，RTU 仿真平台具有以下几点优势：
（1）在硬件方面，此设备采用了DSP 与FPGA 的构架，弥补了关于DSP 外设功能不足的缺陷，两者相辅相成，具有更高的实用性。
（2）在软件方面，RTU 仿真平台在Simulink 中具有大量模型库，操作简单，为用户提供了便捷性，提高了工程搭建的效率。
（3）代码生成一键获得，在Simulink 库中的绝大部分模块均支持代码生成，只有极少数的模块不具备代码自动生成的功能，这解决了手动编程带来的问题，大大提高了工作效率。
（4）使用RTU 数字控制器不需要用户学习太多的软件编程知识，只需要掌握关于MATLAB/Simulink 的使用方法即可，体现了大众化的功能；并且使用RTU 数字控制器最大的优点就是提升了工作效率、减少了研发周期。
3 硬件系统介绍
CPU 板为RTU 数字控制器的核心板卡，以DSP 和FPGA 为基本架构，DSP 为主、FPGA 为辅，两者配合工作，DSP 采用TI 公司的TMS320C28346，负责处理算法数据，但是因为DSP 的外设功能有限，需要FPGA 进行辅助拓展。CPU 板卡通过专用总线来控制其他的外设板，其板卡的通讯接口主要有 10M/100M 以太网ETHERNET、RS232、RS485 和CAN 接口。RTU 有两个PWM 板卡槽位，均可插入PWM 板卡，一块PWM 板卡共60 路PWM 输出，PWM板输出的高电平为5V。并且RTU 控制器还给用户提供了其他板卡槽位，如模数转换板卡等等。
4 软件系统介绍
RTU 数字控制器的软件部分由集成开发环境RTUS（RtunitStudio）和RTU-Lib（Rtunit Lib）组成。
■4.1 集成开发环境RTUS
RTUS 负责管理工程，实现与Simulink 的连接，在此环境下，用户可以对所建工程进行相关操作。在RTUS 中新建工程之后，可以在Simulink 中构建模型，通过Simulink命令栏中的RtuBox 按键自动生成C 语言代码，如果用户需要对代码进行修改，可以直接对所建模型进行修改，完毕后，再次点击RtuBox 按键进行代码自动生成。生成代码之后，进入RTUS2020 的电脑软件界面，进行编译、下载，将代码下载至RTU 数字控制器当中，并且通过对RTU 数字控制器连接相关实物设备，实现半实物仿真。
并且在RTUS 环境中，还可以对其仿真结果进行可视化分析，可以通过观察波形、导出数据等功能进行实时数据观测与修改。
■4.2 RTU-Lib
RTU-Lib 是Simulink 中的功能模型库，是在原库基础上的补充，并且还提供了常见的算法模型。模型库Rtunit Lib 提供了系统中所有硬件资源的Simulink 封装模块[3]，能够直接将硬件功能集成到 Simulink 中，方便搭建硬件控制模型。下面对一些常用库进行简单介绍。
（1）Common Lib
在此库中主要包含常用的波形，如三角波、锯齿波、正弦波等，其中，Triangle Wave 模块还可根据用户需要来形成所需的三角波；除波形模块之外，还有PID 模块，非常便于模型的搭建。
（2）Motor Lib
在此库中常用的主要有Clark 变换与其逆变换、Park 变换与其逆变换，在进行模型搭建时均可直接调用，方便快捷。
（3）RTU BOX Lib
底层驱动静态库RTU BOX Lib 把所有具有硬件功能的函数进行了封装，用户可直接将其调用到模型当中，使用过程非常便捷。此库中的模块种类十分丰富，其中主要包括模数转换模块、RS485 模块、RS232 模块以及encoder 模块等，并且还包括可以称为核心模块的EPWM 模块，用户通过进行相关的参数设置，即可得到所需要的PWM 信号。
需注意的是，当研究算法时，需要以下几个步骤：(1)确定控制算法；(2)通过Simulink 来建立系统仿真模型；(3)自动生成代码；(4)将代码下载入系统，在线调试参数，完成算法的验证。软件工作流程图[4]如图2 所示。
图2 软件工作流程图
5 搭建EPWM 模块实现信号输出
通过以输出PWM 脉冲信号为具体实例对RTU 设备的应用进行更为清晰的阐述。模型搭建均是在simulink 环境下进行的，要实现PWM 信号的输出，首先应对库中的EPWM 模块进行相关介绍与设置。
与EPWM 相关的模块还有EPWM_FPC 模块、EPWM Control 模块等，均是在EPWM 模块的基础上进行的，本文所选用的模块为普通EPWM 型模块，EPWM 模块参数设置环境如图3 所示。
图3 EPWM 模块设置
EPWM 模块产生的PWM 波，从1-6 共六个单元，每个单元输出两路PWM 信号：PWMA 和PWMB。
PWM 的模式（Mode）选项分为Single Pwm Output—非互补输出（A 和B 通道互不影响）和Complimentary Singal Output—A/B 通道互补输出，若选择Single Pwm Output 选项，则需要选择相应的通道，若选择Complimentary Singal Output 选项，则需要输入死区时间。
PWM Channel 选项可选择1-6 单元。
PWM 的通道选项分为EPWMA、EPWMB、EPWMA AND EPWMB。
PWM 的载波类型（Carrier type）分为Sawtooth、Invsawtooth 和Triangle 三种类型，可根据需要自行选择。
PWM 的相位设置，相位角度设置是指不同的 EPWM 单元之间载波的相位差，因此PWM 之间会产生相应的相位差。将Phase Enable 设置为ON 即可进行PWM 的信号初相位设置，输入从0～1 的数值对应表示0°～360°的度数大小。
PWM 的频率设置，分为Dialog 和Input Port 选项，当选择Dialog 选择时，即可设置所需的频率初始值，当选择Input Port 选项时，通过与Variable 变量模块的连接，频率作为可变变量输入EPWM 模块，如图4 所示。EPWM 模块的频率范围大小为100Hz～100kHz，这里的频率选项设置建议与模型的控制频率保持一致。
图4 选择Input Port 选项时的EPWM 模块
PWM 的占空比设置，其单位为百分比（Percentages）和时钟周期数（Clock cycles）两个选项，根据输入从0-1的数值，表示占空比在一个周期内初始值所占比例大小；当占空比单位选择百分比时，其输入类型为float 型，当占空比单位选择时钟周期数时，其输入类型为unit16 型。
PWM 同步方式（Synchronization Output）分为禁用同步信号、同步信号输出为模型输入的信号、同步输出信号至CTR=ZERO 三种情况，可以根据需要选择合适的选项。
6 通过RTU 设备获得信号输出
通过前文对EPWM 模块的介绍，明确了该模块的使用方法，然后使用RTU 数字控制器来实现PWM 波的输出，此PWM 信号用于超声波电机驱动电路的开关管脉冲信号。
该驱动电路的操作对象为日本新生工业公司的USM60型号的行波型超声电机，三相全桥逆变电路作为其驱动电路，通过给定相应的PWM 信号，来生成超声波电机需的驱动信号；由六只功率开关管组成三相桥式电路，此电路是基于半桥和全桥电路上的革新[5]，兼顾全桥和半桥两者的优势。下面通过模型搭建实例来得到相应的PWM 脉冲信号。
以超声波电机A 相为例，三相桥式逆变电路的S1-S4功率开关管负责控制超声电机的A 相，电机的驱动频率约为40kHz，四只功率开关管的计划波形如图5 所示，由于是全桥逆变电路，所以应避免出现直通现象。
图5 开关管时序图
进入Rtunit Studio2020 软件，点击所建工程中的Logic 模型，进入Simulink 的Function-Call Subsystem编辑模型，进行模型的搭建与设置，将EPWM 模块拖入，模式设置为非互补输出，四个EPWM 模块的PWM 单元分别选择1-4，通道选择A 通道，载波选择锯齿波，根据图5 所示的时序图，分别设置各自信号的初相位，因行波型超声波电机的驱动频率[6]约为40kHz，故频率选项设置为40000，占空比初值可暂设为0.3，通过添加变量模块可以实时修改占空比。
图6 左侧的Variable 模块即为变量模块，用来观察和修改工程中设置的变量，这里设置的变量为占空比；该模块主要由以下六个部分组成：变量名称、数据类型、变量类型、初始值、单位及注释。其中，变量类型若设置为只读类型，则只能在Rtunit Studio2020 中观察，不能修改，相反，若要在软件中可以修改变量值，则要设置为可读写类型。
图6 simulink 环境下的模型搭建
模型搭建完成之后，点击Simulink 界面上方RtuBox的Code Generate 按键，自动生成C 代码，此时进入Rtunit Studio2020，依次点击菜单栏的编译和下载按键（或直接点击调试按键），烧入自动生成的C 语言代码，然后将输出信号接至示波器，点击菜单栏的在线按键，双击左侧Variants 图标，即可在线修改占空比的大小，并且在示波器中实时显示。如图7 所示，示波器所示波形从上到下依次为功率开关管S1～S4 的PWM 信号波形。
7 结语
本文以详细介绍RTU 数字控制器为主线，介绍了该设备的软件和硬件两大方面，并系统阐述了RTU 数字控制器的优势所在，同时以四路PWM 信号输出为例，通过模块搭建、代码生成等实际操作对该设备的使用方法进行了相关叙述。从而可以表明，RTU 数字控制器具有无需手动编程、调试过程简单、减少开发时间等优势，并且能将这种优势运用到实际工作当中，极大地提高了工作效率，有效地降低研发周期与投入成本。目前各研究领域在不断地追求快捷高效的主旋律下，RTU 数字控制器具有非常光明的发展前景。
