【導讀】模(mo)型(xing)驅(qu)動(dong)開(kai)發(fa)已(yi)被(bei)業(ye)界(jie)采(cai)用(yong)，作(zuo)為(wei)快(kuai)速(su)原(yuan)型(xing)設(she)計(ji)和(he)縮(suo)短(duan)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。但(dan)是(shi)，在(zai)最(zui)終(zhong)實(shi)現(xian)階(jie)段(duan)通(tong)常(chang)必(bi)須(xu)投(tou)入(ru)大(da)量(liang)時(shi)間(jian)和(he)精(jing)力(li)
，以(yi)使(shi)產(chan)品(pin)的(de)性(xing)能(neng)與(yu)模(mo)型(xing)的(de)性(xing)能(neng)相(xiang)匹(pi)配(pei)。

模(mo)型(xing)驅(qu)動(dong)開(kai)發(fa)已(yi)被(bei)業(ye)界(jie)采(cai)用(yong)
，作(zuo)為(wei)快(kuai)速(su)原(yuan)型(xing)設(she)計(ji)和(he)縮(suo)短(duan)上(shang)市(shi)時(shi)間(jian)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。但(dan)是(shi)
，在(zai)最(zui)終(zhong)實(shi)現(xian)階(jie)段(duan)通(tong)常(chang)必(bi)須(xu)投(tou)入(ru)大(da)量(liang)時(shi)間(jian)和(he)精(jing)力(li)，以(yi)使(shi)產(chan)品(pin)的(de)性(xing)能(neng)與(yu)模(mo)型(xing)的(de)性(xing)能(neng)相(xiang)匹(pi)配(pei)。因此，模型驅動開發的全部潛力在實踐中並未實現。在本文中

，我們將討論如何在模型開發過程中遵循一些準則和技術來解決這一差距。我們還介紹了如何從模型中生成有效的代碼，以縮短產品的上市時間。

介紹

分布式能源（如並網太陽能逆變器）的滲透深度不斷提高
，導致電力轉換社區為這些市場尋找更好、更(geng)高(gao)效(xiao)和(he)具(ju)有(you)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。文(wen)獻(xian)中(zhong)有(you)許(xu)多(duo)算(suan)法(fa)和(he)拓(tuo)撲(pu)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)的(de)輸(shu)出(chu)質(zhi)量(liang)和(he)效(xiao)率(lv)。芯(xin)片(pian)供(gong)應(ying)商(shang)正(zheng)在(zai)推(tui)出(chu)具(ju)有(you)功(gong)能(neng)和(he)硬(ying)件(jian)支(zhi)持(chi)的(de)新(xin)控(kong)製(zhi)處(chu)理(li)器(qi)
，以(yi)有(you)效(xiao)地(di)實(shi)現(xian)這(zhe)些(xie)算(suan)法(fa)。構(gou)建(jian)完(wan)整(zheng)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)硬(ying)件(jian)原(yuan)型(xing)並(bing)在(zai)各(ge)種(zhong)條(tiao)件(jian)下(xia)試(shi)驗(yan)其(qi)性(xing)能(neng)是(shi)非(fei)常(chang)昂(ang)貴(gui)的(de)。此(ci)外(wai)，在(zai)實(shi)驗(yan)過(guo)程(cheng)中(zhong)算(suan)法(fa)的(de)任(ren)何(he)故(gu)障(zhang)都(dou)可(ke)能(neng)損(sun)壞(huai)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)。這(zhe)些(xie)市(shi)場(chang)中(zhong)的(de)產(chan)品(pin)還(hai)需(xu)要(yao)滿(man)足(zu)相(xiang)關(guan)的(de)安(an)全(quan)標(biao)準(zhun)。因(yin)此(ci)
，電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)行(xing)業(ye)在(zai)將(jiang)這(zhe)些(xie)創(chuang)新(xin)技(ji)術(shu)應(ying)用(yong)於(yu)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)方(fang)麵(mian)一(yi)直(zhi)很(hen)慢(man)。

模mo型xing驅qu動dong開kai發fa已yi被bei采cai用yong作zuo為wei此ci問wen題ti的de解jie決jue方fang案an。在zai模mo型xing驅qu動dong開kai發fa中zhong，在zai生sheng成cheng硬ying件jian原yuan型xing之zhi前qian構gou建jian和he仿fang真zhen係xi統tong的de完wan整zheng模mo型xing。這zhe驗yan證zheng了le算suan法fa功gong能neng並bing顯xian著zhe降jiang低di了le風feng險xian。此ci外wai，當dang前qian的de建jian模mo工gong具ju支zhi持chi直zhi接jie從cong模mo型xing生sheng成cheng代dai碼ma，從cong而er簡jian化hua和he放fang寬kuan安an全quan認ren證zheng標biao準zhun。然ran而er，業ye界jie尚shang未wei接jie受shou完wan整zheng的de模mo型xing驅qu動dong開kai發fa
，主zhu要yao是shi因yin為wei1）最終產品和模型的性能差異很大，2）生成的代碼對於目標控製處理器來說效率不高，需要手動修改才能將其帶到產品中。

zaibenwenzhong，womenjiangtaolunkeyishimoxingxingnengfeichangjiejinzuizhongchanpinxingnengdejishuhefangfa
，yizuidachengdudijiangdiyingjiangenggaiheyanchidefengxian。womenhaitaolunleruhecongzhexiemoxingzhongyouxiaodishengchengdaima
，yishichanpingengkuaidijinrushichang。

模型開發指南

模型驅動開發

考慮並網住宅太陽能逆變器的簡化圖，如圖1所suo示shi。太tai陽yang能neng電dian池chi板ban上shang的de太tai陽yang輻fu射she產chan生sheng與yu輻fu射she強qiang度du成cheng比bi例li的de直zhi流liu電dian。轉zhuan換huan器qi將jiang這zhe種zhong直zhi流liu電dian轉zhuan換huan為wei交jiao流liu電dian，可ke用yong於yu家jia用yong電dian器qi
，也ye可ke以yi饋kui送song到dao電dian網wang。來lai自zi信xin號hao鏈lian中zhong各ge個ge點dian的de電dian流liu和he電dian壓ya由you適shi當dang的de傳chuan感gan器qi檢jian測ce，並bing將jiang饋kui送song到dao逆ni變bian器qi中zhong的de控kong製zhi處chu理li器qi。在zai控kong製zhi處chu理li器qi上shang運yun行xing的de算suan法fa分fen析xi這zhe些xie信xin號hao並bing控kong製zhi功gong率lv模mo塊kuai，使shi產chan生sheng的de電dian流liu和he電dian壓ya達da到dao電dian網wang所suo需xu的de頻pin率lv、fuduhexiangwei。zaizhezhongqingkuangxia，taiyangnengdianchibanchongdangdianyuan，dianwanghejiayongdianqichongdangshuicao。zaibutongdedianyuanzhuanhuanxitongzhong，yuanheguandianliuhuiyousuobutong
，dandaduoshujiangluorutu2所示的結構中。

圖1.太陽能逆變器係統。

圖2.電源轉換組件。

電源轉換係統/算法設計人員的主要目的是為模塊的控製處理器和轉換器硬件（如圖2所示）zhaodaoheshidezujianhesuanfa
，bingmanzusuoyouyuanjihefuzaibianhuasuoxudexingneng。yinci
，zaishejixitongshi，qingchudilejiexitongjiangyaoyunxingdehuanjingfeichangzhongyao。liru，zaiweixitongshejitaiyangnengnibianqishi（如圖1所示），設計人員應該知道逆變器的預期安裝位置、太陽輻射強度的變化、太陽能電池板的效率
、電dian網wang條tiao件jian等deng。在zai模mo型xing驅qu動dong開kai發fa中zhong
，設she計ji人ren員yuan首shou先xian創chuang建jian轉zhuan換huan器qi的de模mo型xing
，模mo擬ni預yu期qi的de變bian化hua

，並bing驗yan證zheng模mo型xing是shi否fou按an預yu期qi工gong作zuo。大da多duo數shu情qing況kuang下xia
，建jian模mo工gong具ju將jiang提ti供gong用yong於yu對dui源yuan和he彙hui進jin行xing建jian模mo的de模mo型xing和he庫ku塊kuai。例li如ru
，Simscape Power Systems™來自 Mathworks 有網格、光伏 （PV） 麵板和各種負載的模型。這些可用於模擬和驗證係統的各種用例。

係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)取(qu)決(jue)於(yu)係(xi)統(tong)的(de)所(suo)有(you)組(zu)件(jian)。在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)
，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)自(zi)由(you)地(di)從(cong)頭(tou)開(kai)始(shi)設(she)計(ji)
，並(bing)決(jue)定(ding)係(xi)統(tong)的(de)所(suo)有(you)組(zu)件(jian)，以(yi)滿(man)足(zu)對(dui)源(yuan)和(he)負(fu)載(zai)的(de)限(xian)製(zhi)。在(zai)其(qi)他(ta)一(yi)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)
，由(you)於(yu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)無(wu)法(fa)控(kong)製(zhi)的(de)原(yuan)因(yin)，係(xi)統(tong)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)可(ke)能(neng)已(yi)經(jing)修(xiu)複(fu)，並(bing)且(qie)他(ta)們(men)的(de)自(zi)由(you)度(du)僅(jin)限(xian)於(yu)少(shao)數(shu)組(zu)件(jian)。在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)，我(wo)們(men)假(jia)設(she)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)的(de)主(zhu)要(yao)目(mu)的(de)是(shi)為(wei)現(xian)有(you)拓(tuo)撲(pu)選(xuan)擇(ze)和(he)實(shi)現(xian)正(zheng)確(que)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)
，但(dan)所(suo)解(jie)釋(shi)的(de)大(da)多(duo)數(shu)準(zhun)則(ze)也(ye)可(ke)以(yi)應(ying)用(yong)於(yu)一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)。

構建模型

使(shi)用(yong)正(zheng)確(que)的(de)接(jie)口(kou)以(yi)模(mo)塊(kuai)化(hua)方(fang)式(shi)構(gou)建(jian)模(mo)型(xing)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。結(jie)構(gou)良(liang)好(hao)的(de)模(mo)型(xing)有(you)助(zhu)於(yu)快(kuai)速(su)分(fen)析(xi)和(he)調(tiao)整(zheng)模(mo)型(xing)以(yi)適(shi)應(ying)各(ge)種(zhong)用(yong)例(li)。建(jian)模(mo)工(gong)具(ju)通(tong)常(chang)提(ti)供(gong)各(ge)種(zhong)選(xuan)項(xiang)，以(yi)在(zai)適(shi)當(dang)的(de)抽(chou)象(xiang)級(ji)別(bie)對(dui)組(zu)件(jian)進(jin)行(xing)分(fen)組(zu)並(bing)重(zhong)用(yong)。例(li)如(ru)，Simulink 具有創建子係統、庫模型或參考模型的規定。考慮圖2所示的電源轉換係統。圖 3 給出了 Simulink 模型的頂層視圖作為示例。在此圖中，電源轉換器和控製處理器封裝在標記為ADIInverter的子係統中。Simscape Power Systems 提供的太陽能電池板和電網模型用於對電源進行建模
，並配置強度和溫度。圖中的ADIInverter子係統可以進一步分層劃分為控製處理器和控製算法模塊。

圖3.示例 Simulink 模型。

除控製處理器上運行的控製算法之外的所有塊都是硬件塊。因此
，反映這些組件的所有約束的仿真精度是最重要的標準。

zhexiemokuaidejiekoushimonixinhao，zuiheshidexuanzeshilianxumoxing。kuaikongzhisuanfayongyuzaiweikongzhiqishangyunxing
，yingjinshiyonglisanzhuangtaihegudingbuchang。zuihaojiangqibaoliuweijuyoubutongpeizhiheqiujieqishezhidedandumoxing，bingcongdingjimoxingzhongyinyonggaimoxing。zheyejiangyouzhuyusuanfadedaimashengchenghechuliqizaihuan（PIL） 測試，如下文所述。

求解器步長和數據類型

仿(fang)真(zhen)的(de)速(su)度(du)和(he)精(jing)度(du)主(zhu)要(yao)取(qu)決(jue)於(yu)求(qiu)解(jie)器(qi)的(de)類(lei)型(xing)和(he)步(bu)長(chang)。較(jiao)小(xiao)的(de)步(bu)長(chang)將(jiang)提(ti)供(gong)更(geng)準(zhun)確(que)的(de)結(jie)果(guo)，但(dan)會(hui)使(shi)模(mo)擬(ni)運(yun)行(xing)速(su)度(du)變(bian)慢(man)。我(wo)們(men)希(xi)望(wang)以(yi)最(zui)大(da)的(de)精(jing)度(du)模(mo)擬(ni)硬(ying)件(jian)組(zu)件(jian)。在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)，具(ju)有(you)可(ke)變(bian)步(bu)長(chang)的(de)連(lian)續(xu)求(qiu)解(jie)器(qi)應(ying)該(gai)可(ke)以(yi)工(gong)作(zuo)。但(dan)是(shi)

，當(dang)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)較(jiao)高(gao)時(shi)
，可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)手(shou)動(dong)調(tiao)整(zheng)最(zui)大(da)步(bu)長(chang)。例(li)如(ru)，如(ru)果(guo)步(bu)長(chang)較(jiao)大(da)
，開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)為(wei)100 kHz（如圖4a所示）下的PWM產生可能會失真（如圖4b所示）。檢jian查zha快kuai速su開kai關guan器qi件jian的de輸shu出chu以yi確que認ren步bu長chang是shi否fou足zu夠gou始shi終zhong是shi一yi個ge好hao主zhu意yi。由you於yu控kong製zhi算suan法fa在zai微wei控kong製zhi器qi上shang運yun行xing，因yin此ci應ying使shi用yong具ju有you固gu定ding步bu長chang的de離li散san模mo型xing。使shi用yong的de步bu長chang應ying該gai是shi係xi統tong中zhong使shi用yong的de采cai樣yang周zhou期qi的de最zui大da公gong約yue數shu（GCD）。大多數情況下，建模軟件會自動選擇它。

（a）. 具有正確步長的輸出。

（b）. 大步長輸出。

圖4.100 kHz 的模擬 PWM 輸出。

shiyongdeshujuleixingyejuedinglemonidezhunquexing。shiyongshuangjingdusuanshudemonishizhongbishiyongdanjingdusuanfademonigengzhunque。duiyufangzhenyingjiankuai，jianyishiyongjianmoruanjianzhichidezuigaoshujuleixing。danshiduiyukongzhisuanfa，womenxiwanghuodeyuzaikongzhichuliqishangyunxingxiangtongdesuanfadexingneng
，erbushigengzhunque。yinci，womenyinggaishiyongkongzhichuliqizhichideshujuleixing。liru
，ruguokongzhichuliqishiADI公司的ADSP-CM41x處理器，則適當的數據類型是單精度浮點數，因為它帶有帶有浮點單元（FPU）的Cortex-M4處理器。如果控製處理器是定點處理器
，例如 Cortex-M3，則應以定點數據類型設計和實現算法。建模軟件可能支持從浮點數據類型到定點的自動轉換，這將有助於加快開發速度。®

采樣周期和精度

傳感器在功率轉換信號鏈中各個點感測的電流和電壓信號通過控製處理器的模數轉換器（ADC）提供給算法。ADC的(de)采(cai)樣(yang)速(su)率(lv)主(zhu)要(yao)取(qu)決(jue)於(yu)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)以(yi)及(ji)應(ying)控(kong)製(zhi)的(de)速(su)度(du)。采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)對(dui)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)的(de)性(xing)能(neng)和(he)動(dong)態(tai)有(you)顯(xian)著(zhu)影(ying)響(xiang)。因(yin)此(ci)，仿(fang)真(zhen)應(ying)通(tong)過(guo)為(wei)係(xi)統(tong)選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)采(cai)樣(yang)率(lv)來(lai)完(wan)成(cheng)。用(yong)於(yu)控(kong)製(zhi)處(chu)理(li)器(qi)的(de)ADC僅接受預定義範圍內的輸入。傳感器的輸出應歸一化，使檢測信號的範圍完全適合ADC的範圍，以獲得最佳性能。

ADC的分辨率和精度也因處理器而異

，這對算法性能起著重要作用。高精度ADC有助於更好地控製輸出
，並有助於簡化算法並降低指定控製標準的控製頻率。為了獲得準確的仿真，這些特征應反映在模型中。例如，ADI公司的ADSP-CM41x處理器配備有效位數（ENOB）以上的16位ADC。ADC模塊的建模應使其以所需的采樣頻率和精度將連續信號作為輸入和輸出離散信號。如果ADC模型支持選擇在某些當前采樣場景中很重要的采樣點
，則可以進一步提高仿真精度。

代碼生成

tongguokaifamoxingheyunxingyonglimonilaiyanzhengsuanfadexingneng，kexianzhujiangdifengxianbingsuoduanshangshishijian。danshi，dangqiandejianmogongjutigonglezaiwomenjinruyingjianyuanxingzhiqianzhixinggengduocaozuodegongneng。suoyouxinpiangongyingshangdoutigongpinggupingtai，yongyuzaiqichuliqishangkaifasuanfa。ruguowomenkeyizaipingguyingjianshangyunxingbingyanzhengsuanfaxingneng，zhejiangweisuanfadexingnengtigongewaidexinxin，danqianrushichuliqidebianyiqitongchangzhijieshouC / C++daima
，bingqiezaijianmoheyanzhengjieduanshoudongkaifazhexiedaimatongchangfeichanghaoshi。suoyizaiguoqu，zhegejieduanbeituidaolefazhandehouqi。xingyundeshi，daduoshujianmoruanjianxianzaidouzhichicongmoxingzidongshengchengdaima。keyijiangkongzhisuanfademoxingpeizhiweishiyongyudingyide API 生成代碼。仿真工具還提供 PIL 選項，用於直接從建模環境在目標上運行生成的代碼。在PIL仿真中
，控製算法的輸入和輸出通過UART等接口與評估板交換。此選項可用於比較在目標上運行算法和在主機上運行算法的性能。

通常，建模和仿真軟件支持生成 C 代碼，麵向更廣泛的處理器。硬件供應商將在處理器上具有差異化功能
，以加快處理器設計的應用程序的執行速度。例如，ADSP-CM41x處理器帶有數學單元加速器

，可加快正弦、餘(yu)弦(xian)和(he)平(ping)方(fang)根(gen)等(deng)數(shu)學(xue)運(yun)算(suan)。利(li)用(yong)這(zhe)些(xie)功(gong)能(neng)以(yi)獲(huo)得(de)最(zui)佳(jia)處(chu)理(li)器(qi)性(xing)能(neng)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。建(jian)模(mo)工(gong)具(ju)提(ti)供(gong)將(jiang)部(bu)分(fen)代(dai)碼(ma)替(ti)換(huan)為(wei)自(zi)定(ding)義(yi)代(dai)碼(ma)或(huo)將(jiang)整(zheng)個(ge)算(suan)法(fa)塊(kuai)替(ti)換(huan)為(wei)其(qi)他(ta)代(dai)碼(ma)的(de)功(gong)能(neng)。對(dui)於(yu)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)算(suan)法(fa)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)為(wei)常(chang)見(jian)算(suan)法(fa)模(mo)塊(kuai)（如直接正交零點（DQZ）變換
、鎖相環（PLL）等）tigongshouxieyouhualichenglaishengchengyouhuadaima。daimashengchengkeyipeizhiweishiyongzhexieshouxielicheng，erbushimorendefanxinglicheng。xinpiangongyingshangkeyitigongmoxingku，yijiakuaisuanfazaiqichuliqishangdezhixingsudu。keyiliyongzhexiexuanxiangweikongzhichuliqishengchengyouhuadedaima。

除了控製算法代碼外，控製處理器還需要用於配置外設（如ADC、PWM等）的de代dai碼ma，以yi及ji用yong於yu維wei護hu係xi統tong時shi序xu和he其qi他ta功gong能neng的de框kuang架jia代dai碼ma。建jian模mo工gong具ju也ye可ke用yong於yu生sheng成cheng這zhe些xie代dai碼ma。但dan是shi
，框kuang架jia代dai碼ma應ying該gai做zuo的de不bu僅jin僅jin是shi運yun行xing控kong製zhi算suan法fa。為wei所suo有you這zhe些xie關guan聯lian任ren務wu開kai發fa模mo型xing並bing從cong中zhong生sheng成cheng代dai碼ma可ke能neng不bu是shi一yi種zhong有you效xiao的de方fang法fa。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia
，框kuang架jia和he外wai設she配pei置zhi代dai碼ma可ke以yi單dan獨du開kai發fa，並bing規gui定ding集ji成cheng生sheng成cheng的de控kong製zhi算suan法fa代dai碼ma。

硬件在環 （HIL） 仿真

電源模塊和係統的仿真通常在主機PC上運行。即使在PILfangzhenzhong
，yezhiyoukongzhisuanfazaimubiaokongzhichuliqishangyunxing。xitongdesuoyouqitabufendouyouzhujishangdejianmoruanjianjinxingfangzhen。youyuzhezhongmonixuyaoruciduodeziyuanhezhixingshijian，yincibukenengzairuanjianzhongshishiyunxingzhexieziyuanheshijian。ADC和PWM的係統動態和性能未在此類測試中得到驗證。HIL 仿真 硬件 使用 現場 可 編 程 門 列 （FPGA） 來 仿真 轉換 器 組 件、 源 極和 吸收 器 ， 從而 克服 了 這一 缺點。它有助於實時運行整個仿真，並查看ADC采樣和PWM控製的實際效果。HIL 硬件 通常 由 不同 的 供應 商 提供
， 並提供 接口 控製 處理 器。應該注意的是，HIL平台無法模擬電源模塊的詳細開關特性。應單獨分析這些影響，以在將其帶入最終產品時將風險降至最低。

結論

近(jin)年(nian)來(lai)，建(jian)模(mo)工(gong)具(ju)有(you)了(le)很(hen)大(da)的(de)改(gai)進(jin)。在(zai)本(ben)文(wen)中(zhong)，我(wo)們(men)討(tao)論(lun)了(le)使(shi)模(mo)型(xing)輸(shu)出(chu)非(fei)常(chang)接(jie)近(jin)最(zui)終(zhong)產(chan)品(pin)輸(shu)出(chu)的(de)各(ge)種(zhong)方(fang)法(fa)。但(dan)是(shi)
，應(ying)該(gai)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，有(you)些(xie)特(te)性(xing)（例如電磁兼容性（EMC））無法在仿真環境中進行驗證。識別這些特征並通過替代方法進行分析和驗證非常重要。

本文中介紹的步驟（HIL級除外）已成功用於設計和開發針對ADSP-CM41x處理器的控製算法，用於具有3電平ANPC拓撲的逆變器。

（作者：Bijesh Poyil and Martin Murnane）

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