圖1：設計發(fā)展史和設計能力

 

基于模型的設計 (MBD) 經(jīng)過(guò)數十年的探討，直到最近幾年才發(fā)展為完整的設計流程：從模型創(chuàng )建到完整實(shí)現。在 1970 年代，仿真可采用模擬計算平臺，但是控制硬件卻只能借助晶體管實(shí)現。2000 年代仿真工具的發(fā)展迎來(lái)了圖形化控制原理圖輸入工具和控制設計工具，大大簡(jiǎn)化了復雜的控制設計和評估任務(wù)。但是，控制系統設計師仍然需要編寫(xiě) C 語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)硬件控制算法，以反映仿真設計的情況。本世紀初，完整的 MBD 能夠實(shí)現仿真平臺和硬件實(shí)現平臺的通用控制設計，把復雜控制算法迅速運用至硬件平臺。

 

圖2：MBD設計流程

 

MBD 是指在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用一個(gè)系統模型作為可執行規范。與傳統基于硬件原型的設計方法相比，基于仿真的方法有助于更好地理解設計備選方案和權衡要素，從而能夠優(yōu)化設計，達到預定的性能標準。設計師無(wú)需使用復雜的結構和大量軟件代碼，通過(guò)連續時(shí)間和離散時(shí)間構建模塊，就可以定義具有高級功能特性的各種模型。將現有 C 代碼與標準控制庫模塊整合，可實(shí)現設計效率最大化。這些與仿真工具一同使用的模型能夠縮短原型設計、軟件測試和硬件回路 (HIL) 仿真的時(shí)間。通過(guò)仿真，我們能夠立即發(fā)現各種規范差異和模型誤差，不會(huì )等到設計周期的后續環(huán)節才發(fā)現。在硬件平臺上運行相同算法時(shí)，自動(dòng)代碼生成省去了手動(dòng)步驟。這可簡(jiǎn)化設計過(guò)程、減少硬件設計實(shí)現過(guò)程的錯誤，并縮短整體上市時(shí)間。
 

MBD 過(guò)程有多個(gè)步驟可優(yōu)化整體設計中的各項任務(wù)。這些任務(wù)可由不同的設計工程師或設計團隊完成，然后組合在一起形成整體設計和完整的系統。借助此方法，各項任務(wù)可在更高的抽象層進(jìn)行設計，從而針對給定的最終應用優(yōu)化整體設計流程?？偠灾?，MBD 使設計師能夠從更多經(jīng)典設計方案開(kāi)始擴展，以可控方式直接從模型創(chuàng )建轉到仿真、代碼生成和 HIL 測試，無(wú)需重新設計整個(gè)系統就可對系統行為做出遞增改變。

 

圖3：MBD實(shí)現的概念

 

在圖 3中，我們以直觀(guān)的方式顯示 MBD 流程的不同設計階段和每個(gè)步驟的范圍。這些步驟共同描述了 MBD 的“標準”流程。以電機控制設計為例，該流程包括：

1、運行概念

2、電機系統的整體功能

3、工廠(chǎng)建模/系統架構

4、電機、負載、功率電子設備、信號調理等設備的模型開(kāi)發(fā)

5、控制器建模和要求

6、三相永磁電機基于編碼器的磁場(chǎng)定向控制

7、分析和綜合 – 詳細設計

8、上述創(chuàng )建模型用于確定工廠(chǎng)模型的動(dòng)態(tài)特性

9、系統調諧和配置

10、驗證和測試

11、離線(xiàn)仿真和/或實(shí)時(shí)仿真

12、動(dòng)態(tài)系統時(shí)間響應調查

13、嵌入式目標實(shí)施過(guò)程 – 全面運行

14、自動(dòng)代碼生成

15、測試和驗證

16、更新控制器模型

 

圖4：MBD設置

 

以上可構成調整整體設計的多步驟方法，并且可單獨分析每個(gè)控制步驟。軟硬件規范完成后，就可針對整個(gè)系統的具體算法和功能部署建立完整的系統架構(參見(jiàn)圖4 )?？蓪刂破骱凸S(chǎng)模型的仿真過(guò)程進(jìn)行評估，還可對不涉及硬件的算法離線(xiàn)開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行合理構建并微調，從而達到整個(gè)系統的性能要求。對于初始生成的代碼，無(wú)論是“重復使用”的現有代碼還是由代碼生成工具生成的代碼，均可在嵌入式控制器中實(shí)施，以便將 PC 上的系統仿真情況與硬件目標的實(shí)際實(shí)現數據進(jìn)行對比。設計師在定義 MBD 的平衡結構時(shí)，必須考慮模型的復雜度。不過(guò)，某個(gè)平衡概念實(shí)現之后，也可以快速更改設計內的獨立模型，使整個(gè)驅動(dòng)系統獲得更準確的結果。

本文采用的實(shí)驗設置是基于A(yíng)DI公司的 ARM CortexTM-M4 混合信號控制處理器，它與 IAR 和 MathWorks 公司的組合工具一同使用，實(shí)現 MBD 平臺。上述每個(gè)步驟都可直接鏈接至可用工具和整個(gè)實(shí)現過(guò)程。

 

圖5：Mathworks和IAR系統優(yōu)勢
 

參見(jiàn)圖5，每條工具鏈都具有使用價(jià)值。在 MBD 中，設計師必須選擇如何平衡使用這些工具鏈與獨立 MBD 平臺創(chuàng )造的全部?jì)r(jià)值二者之間的關(guān)系。

 

圖6：實(shí)施環(huán)境
 

對于目標平臺，實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境現可適用于建模、仿真、評估、部署和優(yōu)化整個(gè)系統的性能和功能。這一切都基于 MBD 和平衡選擇系統參數，從而使需要特定優(yōu)化的設計具有一流的靈活性。這使得系統的可擴展模型得以實(shí)現，進(jìn)而有助于代碼的使用和重復使用，這些代碼可以基于現有舊代碼或功能，也可以基于標準 C 的全新構建模塊或圖形化功能(Simulink/MATLAB 模型對應完整的仿真和實(shí)施階段)。不僅從軟件角度來(lái)看可以更改整體設置，而且在為系統開(kāi)發(fā)出正確的設備驅動(dòng)程序之后，設計師也可更改最終應用或系統的資源、硬件元件和整個(gè)應用軟件。此外，還能夠實(shí)時(shí)控制整個(gè)系統的時(shí)序，所以直接借助此環(huán)境就可實(shí)現系統調度最優(yōu)化。

 

圖7：驅動(dòng)系統框圖
 

仔細觀(guān)察這個(gè)典型的驅動(dòng)系統框圖，便可直觀(guān)地了解此架構的功能。我們可以?xún)?yōu)化“驅動(dòng)系統”中的每個(gè)要素，并著(zhù)重關(guān)注對最終系統最為重要的要素。舉例來(lái)說(shuō)，如果保護功能和數值范圍最重要，則應著(zhù)重關(guān)注與電氣控制和功率系統結合的機械系統?？删C合運用仿真結果和實(shí)時(shí)數據來(lái)監控系統行為，共同實(shí)現“即時(shí)”優(yōu)化。另一方面，如果噪聲干擾降低了系統的整體效率水平，則可以在可擴展濾波器和觀(guān)測器中使用其測量值，最大程度地減少硬件噪聲問(wèn)題以實(shí)現最佳狀態(tài)。針對所有因素建模并收集相關(guān)數據之后，就可以開(kāi)始實(shí)施階段的最后一步，而目標系統的完整實(shí)現階段亦可成為現實(shí)。

 

圖8：實(shí)現與編譯
 

通過(guò) MBD 設計流程和 MathWorks 與 IAR，可對代碼進(jìn)行編譯，并使整體模型得以實(shí)現。“驅動(dòng)系統”模型的每個(gè)階段或要素都可通過(guò) MATLAB 和 Simulink 模型來(lái)表示，該模型已調整至符合最優(yōu)設計標準的適當水平。模型中的每個(gè)要素均基于 MathWorks 的標準工具箱和模塊集，在特定設計中可以與任何要素一同重復使用。這些要素還可表示驅動(dòng)系統的不同域，并且均可進(jìn)行微調，以便最大程度減少模型相對于實(shí)施的誤差。通過(guò)實(shí)時(shí)實(shí)施方法并在此混合環(huán)境下編譯，還可將現有手寫(xiě) C 代碼與由 Embedded Coder(嵌入式編碼器)生成并經(jīng)過(guò) ARM Cortex M4 優(yōu)化的 C 代碼相結合。Embedded Coder是一款適用于 MATLAB 和 Simulink 的生產(chǎn)代碼生成工具。整個(gè)過(guò)程使得用戶(hù)能夠正確地重復使用現有的電機控制設計知識。此時(shí)，IAR 嵌入式工作臺可獲取生成的代碼，并對 ARM Cortex M4 的完整項目進(jìn)行編譯，這也表示此系統的 MBD 實(shí)現階段結束。

 

圖9：處理數據及仿真數據
 

自 MBD 問(wèn)世以來(lái)，人們就一直在質(zhì)疑其相較于傳統系統開(kāi)發(fā)的性能和功能，以及系統整體資源的使用效率。經(jīng)過(guò)元件供應商、仿真和實(shí)施供應商以及工具編譯器供應商的不懈努力，現如今 MBD 已經(jīng)與傳統實(shí)施方式不相上下。當然，任何為實(shí)時(shí)系統編寫(xiě)和開(kāi)發(fā)代碼的過(guò)程均可能效率低下，這取決于所使用的實(shí)現方法。借助 MBD，可以將性能分析、交叉優(yōu)化選項以及安全關(guān)鍵系統開(kāi)發(fā)的強大優(yōu)勢組合在一起，從而盡可能減少代碼開(kāi)發(fā)費用，實(shí)現最高性能。MathWorks 會(huì )按照 IEC 61508、ISO 26262 和相關(guān)功能安全標準對嵌入式編碼器進(jìn)行工具資格驗證。
 

在標準設計流程中，實(shí)現這一系列功能要困難得多。在上述例子中，標準磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 模型在A(yíng)DI公司的 ADSP-CM40x 系列上實(shí)現。該模型的位置反饋和電流環(huán)路反饋的執行時(shí)間為 15 us，并且可對電流方案和調試設備進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。該模型還可追蹤整個(gè) FOC 方案的功能性?？梢詫?MBD 仿真結果和實(shí)時(shí)數據進(jìn)行評估，并與理想的系統功能和目標規格進(jìn)行比較。因此，設計師能夠不斷提高系統效率、功能和性能，還能評估信號鏈中指定要素或組件的表現與目標規格的差異情況。
 

本文介紹了一種采用 MBD 構建電機控制系統的“新”方法。如今的嵌入式處理器必須在性能、成本和尺寸幾方面取得平衡，以便能夠開(kāi)發(fā)和運用更高抽象層的圖形工具，從而縮短上市時(shí)間，提高安全性、性能以及可擴展性，為獲得高度優(yōu)化的系統打下基礎。

相關(guān)閱讀：

詳述工業(yè)電機控制系統
電動(dòng)車(chē)無(wú)刷電機控制器短路的工作模型
TI無(wú)傳感器的Insta SPIN-FOC電機控制