長期以來，係統和電路建模一直是電機控製係統設計的重要方麵。采用MBD方法後
，電氣、機械和係統級模型用於在構建和測試物理硬件前評估設計概念。MathWorks最新的仿真工具可以對完整的嵌入式控製係統進行建模，包括電氣電路和機械係統領域。同時，嵌入式編碼工具從控製係統模型生成C語言代碼，將控製算法部署在嵌入式控製平台上。

 

這些工具實現了基於模型的設計過程，人們可以在最終硬件測試前先在仿真平台上進行設計並完全測試。成功構建MBD平台的關鍵是分隔係統模型和嵌入式軟件代碼。一旦MBD平台使用已知算法和係統進行測試後
，便可開發新算法，並在仿真平台上以係統工作極限安全地測試。

 

 

MBD經過數十年的探討
，直到最近幾年才發展為從模型創建到完整實現的完整設計流程。MBD是解決設計複雜嵌入式控製係統相關問題的數學和可視化方法。

 

設計師無需使用複雜的結構和大量軟件代碼，通過連續時間和離散時間構建模塊
，就可以使用MBD定義具有高級功能特性的各種模型。這些與仿真工具一同使用的模型能夠縮短原型設計、軟件測試和硬件在環(HIL)仿真的時間。

 

tongguofangzhen，womennenggoulijifaxiangezhongguifanchayihemoxingwucha，buhuidengdaoshejizhouqidehouxuhuanjiecaifaxian。weileyouhuazhengtidaimashengchengguocheng，keyijiaruzidongdaimashengchenglaijianshaorenheshoudongbushubuzhou，bingjinyibuyouzhuyusuoduanzhengtichanpinshangshishijian。zongeryanzhi，MBD方法使設計師能夠從更多經典設計方案開始擴展，以可控方式直接從模型創建轉到仿真、代碼生成和HIL測試，無需重新設計整個係統就可對係統行為作出遞增改變。

 

本文中的實驗性設置基於交流饋入閉合電機控製係統，如圖1所示。該係統表示一個功能完整的PMSM市電輸入電機驅動
，具有功率因數校正
、完全控製、通信信號隔離和光學編碼器反饋功能。該係統的核心是一個ARM Cortex®-M4混合信號控製處理器，即ADI的ADSP-CM408。它通過搭配IAR和MathWorks公司的工具，實現完整的MBD平台部署。

 

圖1. 驅動係統平台(a)交流饋入閉合電機控製係統框圖(b)係統原型製作

 

 

目標驅動係統是帶有編碼器位置反饋的PMSM
，連接三相交流電源逆變器，帶有隔離式相位電流反饋。驅動控製算法部署在混合信號專用信號處理器(ASSP)，包含外設

，可捕獲電機反饋信號並控製電源逆變器。

 

係統有三個主要組件可用於建模：電源逆變器和電機(對象)、控製反饋電路和數字控製器。對象模型使用Simulink Simscape組件來仿真連續時間域內的電源逆變器電氣電路和電機機電元素。反饋電路模型處理控製器和電機驅動模型之間的增益和數據類型。

 

Simulink嵌入式編碼器工具創建的Cyuyandaimakeyizaifangzhenpingtaiheqianrushikongzhichuliqishangjingquefanyingsuanfadezhixing。jiyumoxingshejidechenggongzhixingyoulaiyujingquedexitonghedianlumoxing，yijizhengquefengexitongmoxingheqianrushikongzhiruanjian。youyuxitongzhonghunhelelisanhelianxushijianhanshu，yincigaifangzhenqiujieqicaiyonglegudingbuchanglisanqiujieqi。

 

驅動係統硬件包括電源板


、控製板、以及帶編碼器反饋的PMSM (參見圖1b)。電源板包含輸入整流器
、三相逆變器模塊、電流和電壓傳感器、數字和模擬信號隔離電路
，以及編碼器信號緩衝器。控製板包含電機控製ASSP(集成240 MHz ARM Cortex-M4F內核)以及專用電機控製外設(包括PWM定時器
、正交編碼計數器、Sinc濾波器和嵌入式模數轉換器(ADC))。硬件包含電機電流反饋選項
，采用隔離電流傳感器(集成嵌入式ADC)或分流器(集成隔離式ADC Σ-Δ型轉換器)，以及嵌入式Sinc濾波器。

 

反饋信號采集和控製算法執行通過處理器中斷機製與PWM開關頻率同步。由於對象中被關注的時間常數遠長於PWM開關周期，係統仿真采用相同的時間步長。由於全開關信號仿真無法提供有用的控製信息

，電源逆變器使用平均值模型。

 

PMSM電機模型來源於MathWorks SimPower係統庫，受配置菜單(甚至預設模型參數)的支持。用戶可以在自定義電機或逆變器模型之間切換，具體取決於設計開發的要求。

 

電機控製(MC)算法模型是一組離散時間函數

，每一個時間步進均在仿真和嵌入式平台上執行。通常，MC算法函數包含在單個子係統模塊內
，簡化代碼產生過程。代碼生成器創建C語言代碼，來執行算法輸入、輸出和狀態變量的控製算法和數據結構。算法本身是常用的磁場定向控製(FOC)，具有外部速度環路、內部d軸和q軸電流環路

，如圖2所示。

 

圖2. FOC算法

 

逆(ni)變(bian)器(qi)接(jie)口(kou)和(he)反(fan)饋(kui)路(lu)徑(jing)分(fen)為(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)和(he)嵌(qian)入(ru)式(shi)接(jie)口(kou)模(mo)塊(kuai)。電(dian)流(liu)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)模(mo)型(xing)是(shi)簡(jian)單(dan)的(de)增(zeng)益(yi)元(yuan)素(su)

，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)的(de)帶(dai)寬(kuan)超(chao)出(chu)了(le)控(kong)製(zhi)反(fan)饋(kui)所(suo)關(guan)心(xin)的(de)範(fan)圍(wei)。位(wei)置(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)模(mo)型(xing)更(geng)為(wei)複(fu)雜(za)，因(yin)為(wei)它(ta)提(ti)供(gong)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)增(zeng)量(liang)位(wei)置(zhi)信(xin)號(hao)和(he)低(di)分(fen)辨(bian)率(lv)絕(jue)對(dui)位(wei)置(zhi)信(xin)號(hao)。

 

嵌入式信號接口模型包括類型轉換函數
，因為ADC
、Sinc濾波器、計數器和定時器外設具有16位或32位定點輸出數據寄存器。每個嵌入式接口的增益都是外設係統時鍾速率、采樣速率和接口外設寄存器設置的函數。模型參數必須匹配嵌入式係統配置，確保仿真結果的精確性。

 

 

dianjiqudongxitongzhixingduozhonggongnenghedianjikongzhisuanfa。qianrushiruanjianfenweiduogegongnengmokuai
，laishixianpingtailinghuoxing，bingfangbiankaifa。guanjiandedaimagongnengshixitongchushihua、通信接口
、應用任務、電機控製接口和電機控製算法。圖3顯示的是高電平驅動程序流程圖
，圖4顯示的是代碼結構。

 

圖3. ISR說明

 

圖4. 代碼分隔

 

主程序調用初始化例程來配置ASSP硬件，然後將處理器置於連續等待環路。所有其它函數都由事件驅動型中斷服務例程(ISR)調用。ADC中斷具有最高優先級
，而當新傳感器數據樣本就緒時
，ADC ISR調用電機控製函數。ADC采樣與PWM切換同步，為控製環路提供執行時序。ADC ISR每一個PWM周期執行一次，但僅在電機運行標識置位時才調用電機控製例程(PMSMctrl)。在代碼構建前選擇電機電流反饋路徑。

 

PWM觸發中斷是異步的

；它僅在響應硬件故障時才會調用，而且是延遲故障的唯一函數，因為硬件PWM觸發函數會自動關斷逆變器PWM信號。通信端口ISR具有較低的優先級
，處理用戶命令
，並發送調試監控器函數捕捉的數據。內核定時器ISR管理背景應用任務
，比如電機啟動和停止序列、調試監控器接口以及其它管理類任務。

 

嵌入式代碼按照功能組織而不是按編程順序組織。係統初始化代碼時以標準方式設置處理器時鍾
、dianyuanheneihedingshiqi，yuyingyongchengxuhanshujihuwuguan。tongxinheyingyongchengxurenwudaimatongguoyonghujiekouhexitongguanliyaoqiudingyi，yudianjikongzhisuanfajihumeiyouguanxi。

 

電機控製(MC)接jie口kou函han數shu管guan理li電dian機ji驅qu動dong硬ying件jian和he控kong製zhi算suan法fa之zhi間jian的de信xin號hao數shu據ju流liu。此ci代dai碼ma專zhuan門men用yong於yu控kong製zhi驅qu動dong電dian路lu以yi及ji控kong製zhi為wei控kong製zhi算suan法fa提ti供gong反fan饋kui信xin號hao的de電dian機ji控kong製zhi相xiang關guan外wai設she。電dian機ji控kong製zhi算suan法fa是shi獨du立li於yu平ping台tai的de代dai碼ma
，由youSimulink生成
，包含反饋和輸出信號的數據結構。所有其它驅動代碼均為手動編碼。

 

 

若要發揮MBD的de最zui大da效xiao益yi，理li解jie電dian機ji控kong製zhi係xi統tong不bu同tong部bu分fen的de建jian模mo詳xiang細xi要yao求qiu並bing盡jin可ke能neng將jiang關guan鍵jian物wu理li係xi統tong參can數shu與yu相xiang應ying模mo型xing參can數shu相xiang匹pi配pei很hen重zhong要yao。這zhe包bao括kuo將jiang已yi建jian模mo的de係xi統tong分fen隔ge為wei不bu同tong的de詳xiang細xi部bu分fen。總zong體ti而er言yan，以yiPWM平均值方式對整個係統建模就足夠了。例如
，在高頻PWM開關周期中以平均值處理所有信號，並且在電壓或電流信號中不包含PWM紋波或開關分量。

 

係統模型分隔至邏輯模塊內，如圖5所示(圖中顯示相關信號流)。每一個模塊再進一步細分(如圖中右側所示)，且每一個子模塊采取適當的建模方法，如表1中所列。表中未列出用戶命令模塊。用戶命令通過C語言代碼內部的全局參數結構與內核算法通信；一旦它們在Simulink算法中定義為全局可調參數後，便可正確處理。

 

圖5. 係統模型分隔

 

表1. 模型考慮因素

*括號中的數字對應圖5中的框圖。

 

除了基本設置(比如類型大小、字節順序等)，通過使自動代碼生成變為不針對某個特定目標，便可最大程度實現代碼便攜性和易於維護。MathWorks提ti供gong特te定ding處chu理li器qi的de代dai碼ma生sheng成cheng模mo塊kuai
，可ke直zhi接jie尋xun址zhi處chu理li器qi外wai設she和he驅qu動dong器qi。雖sui然ran某mou些xie情qing況kuang下xia這zhe種zhong功gong能neng非fei常chang吸xi引yin人ren，其qi缺que陷xian是shi代dai碼ma便bian攜xie性xing不bu足zu，且qie設she備bei驅qu動dong程cheng序xu或huo外wai設she配pei置zhi的de任ren何he改gai變bian(比如新處理器變體)都將要求更改代碼。因此，在本文所述的設計示例中，代碼生成僅限控製算法
，而Simulink模型包含全部外設函數模型
，並在應用項目中手動編碼。此方法在圖6中強調
；由圖可知，MathWorks控製器模型生成的代碼連接至主應用程序項目的其它代碼和庫模塊。

 

圖6. 模型代碼接口

 

帶分隔模型模塊的Simulink模型如圖7所示。如圖所示
，代碼由模型的電機控製算法部分生成。代碼生成的重要設置可在配置代碼硬件部署窗口中選擇(該窗口中可以選擇整體設備類型)
，以及在配置參數代碼生成接口窗口中選擇(在該窗口中選擇標準數學庫)。

 

圖7. 建模和代碼生成部署

 

影響代碼效率的另一個因素是使用的C語言"方言"。大部分代碼生成工具以及嵌入式工作台支持的常見"方言"是C89/C90和C99。最重要的是，在工具中應當使用相同的"方言"。例如
，如果嵌入式工作台配置為根據C99構建代碼，則自動代碼生成工具必須同樣依據C99標準構建代碼。如果不能做到這一點
，則代碼性能會大打折扣，甚至在最差的情況下會使代碼產生非預期的作用。

 

另一個重要的因素是定點和浮點類型表示。兩種編碼"方言"均支持定點，因此這種情況下選擇何種"方言"並不重要，隻要在所有工具中使用相同的"方言"即可。然而，如果使用了浮點類型
，則C"方言"的選擇就變得很重要。

 

C89/C90不區分單精度浮點和雙精度浮點。如果代碼要在支持雙精度的處理器上運行，那這樣做也許是可以接受的；但對於僅支持單精度的處理器而言(比如ARM Cortex-M4)，情況就大為不同了。請記住，應當確保自動代碼生成工具以及嵌入式工作台設置為使用C99"方言"。

 

Simulink提供Simscape和SimMechanics等工具箱，當物理參數已知時可用來為機電係統輕鬆建模。即使物理參數未完全特性化，預定義組件模型(比如電機)可以加載大致相當的規格

，實現電機控製算法的初步設計。就算法本身來說，某些模塊很有用
，比如Park變換和正弦餘弦CORDIC近似模塊可以簡化電機控製算法的開發。

 

zidongdaimajiekouyouchushihuahanshutiaoyongheyigehuoduogeshijianbuchanghanshutiaoyongdingyi
，bixuzaizhuyingyongchengxudaimaneiyishidangdeshijianbuchangtiaoyong。benlizhongyoulianggeshijianbujinhanshu——主控製算法
，在10 kHz PWM速率時調用，以及速度測量函數，在1 kHz速率時調用。自動生成的代碼模塊集成至主項目中
，如圖8所示。

 

圖8. 代碼模塊組織和算法函數調用

 

如圖所示，代碼以模塊化方式組織，集成特定應用函數，比如聯網和保護

，非常直觀。高優先級任務(比如電機控製算法)從圖3中的ISR處調用。應用程序級任務從基本調度程序內核處作為調度任務調用。MC接口例程包含於電機控製和測量代碼模塊中
，後者包含所有電流反饋信號處理代碼。ADI電機代碼包含用於係統測試的調試監視器函數，可以在電機運行時捕捉應用和控製算法信號數據。數據通過串行鏈路傳輸至PC，以供顯示和分析。

 

 

通過測量、計算和查閱數據手冊確定表1中的關鍵參數後，速度和電流環路的正確控製器增益便可使用Simulink模型確定。這可以利用標準PID調諧法[2]或MathWorks提供的調諧工具(比如PID調諧器工具)實現。該過程詳見參考文獻3。

 

建模和實驗操作的電流環路性能如圖9和圖10所示。該曲線中的實驗數據僅每隔5 ms采樣一次，因此存在一些混疊，但整體趨勢非常明顯。

 

圖9. 比較模型操作和經驗操作的(a)速度響應以及(b) q軸電流參考

 

圖10. 電流環路性能——模型和經驗結果

 

基於模型的自動生成代碼的性能可以通過在PWM周期內檢查代碼執行的時間期限確定。這可以使用I/O引腳和示波器來完成

，或更簡單地使用IAR Embedded Workbench C-SPY調試器中的ITM事件功能來完成。PWM周期中事件的序列如圖11時間期限所示。

 

圖11. 代碼執行時間期限

 

PWM同步脈衝發生在每一個新PWM周期開始處，並在硬件中連接ADC定時器，控製每個ADC通道的采樣。這種情況下，電機電流將在PWM同步脈衝之後立即采樣，並直接存儲器存儲(DMA)至存儲器

，然後執行算法
，並生成PWM占空比更新值。如圖11所示
，執行基於模型的自動生成代碼消耗的PWM周期不到10%
，從而允許有大量的其它背景任務開銷。以前對於自動生成代碼效率的擔憂將不複存在。

 

就代碼尺寸而言
，算法自動代碼的相對尺寸如表2所示；可以看出，自動生成的代碼僅占據略大於10 kb的存儲器，約為總尺寸的15%。ADSP-CM408的可用SRAM為384 kB
，顯然可以輕鬆支持該存儲器要求
，允許程序以最高速率從SRAM運行，並提供足夠多的裕量用於更複雜的算法和其它監控或用戶接口功能。

 

表2. 代碼模塊尺寸

 

 

本ben文wen所suo討tao論lun的de軟ruan件jian假jia設she為wei含han有you兩liang個ge主zhu要yao組zu件jian的de係xi統tong。第di一yi個ge是shi基ji於yu模mo型xing的de組zu件jian
，部bu署shu控kong製zhi算suan法fa。雖sui然ran模mo型xing以yi嵌qian入ru式shi目mu標biao為wei原yuan則ze開kai發fa，從cong自zi動dong生sheng成cheng工gong具ju獲huo取qu的de代dai碼ma本ben質zhi上shang是shi通tong用yong的de。第di二er個ge是shi手shou寫xie軟ruan件jian組zu件jian，將jiang通tong用yong算suan法fa代dai碼ma綁bang定ding至zhi嵌qian入ru式shi目mu標biao，處chu理li調tiao度du並bing分fen配pei處chu理li器qi資zi源yuan。在zai重zhong用yong模mo型xing和he擴kuo展zhan性xing方fang麵mian，這zhe種zhong係xi統tong分fen隔ge有you一yi定ding優you勢shi。

 

本文討論了單個電機(單軸)的控製開發。現在，想象驅動程序規格通過同一個處理器調用兩個電機(雙軸)控kong製zhi。無wu疑yi，這zhe對dui係xi統tong來lai說shuo是shi一yi個ge很hen大da的de變bian化hua，但dan采cai用yong通tong用yong模mo型xing進jin行xing工gong作zuo的de優you勢shi也ye得de以yi凸tu顯xian。已yi經jing完wan成cheng開kai發fa的de單dan軸zhou模mo型xing不bu對dui處chu理li器qi外wai設she作zuo出chu任ren何he假jia設she——它是PM電機的通用控製算法。因而，創建一個可以控製單軸/雙軸的模型就變成了創建單軸模型第二個實例的問題。

 

自然，手寫代碼需要修改才能支持單軸/雙shuang軸zhou
，但dan假jia設she處chu理li器qi具ju有you一yi組zu正zheng確que的de外wai設she和he計ji算suan資zi源yuan來lai控kong製zhi雙shuang軸zhou，則ze手shou寫xie代dai碼ma的de修xiu改gai也ye很hen直zhi觀guan。無wu論lun控kong製zhi的de是shi單dan軸zhou或huo是shi雙shuang軸zhou
，手shou寫xie代dai碼ma的de主zhu要yao任ren務wu都dou是shi將jiang數shu值zhi分fen配pei至zhi模mo型xing的de輸shu入ru、將模型的輸出寫入處理器外設，以及調度模型的執行時間。因此
，從單軸到雙軸隻不過是外設的分配/配置，並調度增加軸的算法執行時間。該過程是無縫的

，並由於模型是通用的這一事實而得以實現。

 

如(ru)果(guo)隻(zhi)開(kai)發(fa)一(yi)個(ge)單(dan)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)
，那(na)麼(me)使(shi)用(yong)基(ji)於(yu)模(mo)型(xing)的(de)設(she)計(ji)優(you)勢(shi)有(you)限(xian)。然(ran)而(er)，大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)，產(chan)品(pin)開(kai)發(fa)意(yi)味(wei)著(zhe)多(duo)個(ge)產(chan)品(pin)變(bian)體(ti)，並(bing)且(qie)對(dui)於(yu)這(zhe)些(xie)情(qing)況(kuang)而(er)言(yan)，重(zhong)用(yong)模(mo)型(xing)具(ju)有(you)很(hen)大(da)的(de)吸(xi)引(yin)力(li)——不僅因為縮短了開發時間
，還由於使用受信任模型而導致的質量不斷上升。隨著時間的推移，算法開發人員將會創建模型庫；如果部署正確，這些模型可在不同產品之間重用。由於模型是通用的，它們可以運行在目前和未來的處理器上。

 

除了滿足產品變體的潛在要求或控製多軸之外，開發人員有時候還能提供不同的控製器模式。一個典型的例子便是提供扭矩控製、速度控製和位置控製模式的應用。在電流和速度控製算法的基礎構建塊上可以部署位置控製算法。

 

在zai大da多duo數shu應ying用yong中zhong，位wei置zhi控kong製zhi環huan路lu作zuo為wei圍wei繞rao內nei層ceng速su度du和he電dian流liu環huan路lu的de外wai層ceng。基ji本ben的de位wei置zhi控kong製zhi器qi僅jin需xu比bi例li增zeng益yi項xiang。一yi般ban不bu需xu要yao積ji分fen項xiang，因yin為wei位wei置zhi環huan路lu中zhong的de任ren何he穩wen態tai誤wu差cha都dou會hui導dao致zhi非fei零ling速su度du參can考kao。若ruo內nei層ceng電dian流liu和he速su度du環huan路lu經jing過guo良liang好hao調tiao諧xie
，則ze這zhe些xie可ke以yi視shi為wei理li想xiang的de單dan位wei增zeng益yi模mo塊kuai，以yi及ji調tiao諧xie位wei置zhi環huan路lu變bian為wei一yi個ge直zhi觀guan的de任ren務wu。

 

chulewaicengbilikongzhihuanlu，baohanyigeweizhicankaoyekenenghenzhongyao，yibianfuzaizunxundingyidezhouqihejiasuduyujiansudusulv。zheduiyuzuidachengdujianshaohenduoxitongzhongdejixieyinglieryanshifenzhongyao。zaibenyingyongshilizhong
，hengdingjiasudu、恒定速度和恒定減速度曲線施加到位置參考變化
，如圖12所示；圖中表示位置參考
、曲線位置參考以及相應的理想速度曲線。至於哪個實際速度遵循該曲線則取決於速度控製器的動態響應。

 

圖12. 位置參考曲線

 

所有這些功能——位置環路增益、位置曲線以及輔助功能(比如回零定位和終端-停止檢測)作為額外模塊部署在代碼中基於模型的部分。唯一需要的手寫代碼更改是I/O配置
，以支持家庭位置和終端-停止信號。

 

 

基ji於yu模mo型xing的de設she計ji是shi強qiang大da的de工gong具ju，可ke以yi加jia速su電dian機ji驅qu動dong製zhi造zao商shang的de嵌qian入ru式shi開kai發fa。如ru果guo以yi通tong用yong方fang式shi設she置zhi和he配pei置zhi，則ze可ke以yi大da幅fu減jian輕qing手shou寫xie代dai碼ma開kai發fa和he維wei護hu的de重zhong擔dan。它ta還hai能neng加jia快kuai產chan品pin上shang市shi時shi間jian，因yin為wei代dai碼ma開kai發fa可ke在zai缺que少shao硬ying件jian的de情qing況kuang下xia初chu始shi處chu理li——隻要提供關鍵係統組件的合理精確模型。

 

這些特性已在PMSM驅動器情形中得到證實，該驅動器在擴展至多軸和位置控製的FOC下xia操cao作zuo。對dui軟ruan件jian模mo塊kuai和he基ji於yu模mo型xing的de組zu件jian進jin行xing分fen割ge的de方fang法fa已yi經jing詳xiang細xi說shuo明ming
，可ke以yi優you化hua基ji於yu模mo型xing的de解jie決jue方fang案an提ti供gong的de數shu值zhi。實shi驗yan數shu據ju也ye表biao明ming了le模mo型xing在zai優you化hua速su度du控kong製zhi器qi參can數shu
、代碼生成緊湊性和效率方麵的優勢。

 

本文轉載自亞德諾半導體。