長(cháng)期以來(lái)，系統和電路建模一直是電機控制系統設計的重要方面。采用MBD方法后，電氣、機械和系統級模型用于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制系統進(jìn)行建模，包括電氣電路和機械系統領(lǐng)域。同時(shí)，嵌入式編碼工具從控制系統模型生成C語(yǔ)言代碼，將控制算法部署在嵌入式控制平臺上。

 

這些工具實(shí)現了基于模型的設計過(guò)程，人們可以在最終硬件測試前先在仿真平臺上進(jìn)行設計并完全測試。成功構建MBD平臺的關(guān)鍵是分隔系統模型和嵌入式軟件代碼。一旦MBD平臺使用已知算法和系統進(jìn)行測試后，便可開(kāi)發(fā)新算法，并在仿真平臺上以系統工作極限安全地測試。

 

 

MBD經(jīng)過(guò)數十年的探討，直到最近幾年才發(fā)展為從模型創(chuàng )建到完整實(shí)現的完整設計流程。MBD是解決設計復雜嵌入式控制系統相關(guān)問(wèn)題的數學(xué)和可視化方法。

 

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(huán)(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。為了優(yōu)化整體代碼生成過(guò)程，可以加入自動(dòng)代碼生成來(lái)減少任何手動(dòng)部署步驟，并進(jìn)一步有助于縮短整體產(chǎn)品上市時(shí)間?？偠灾?，MBD方法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作出遞增改變。

 

本文中的實(shí)驗性設置基于交流饋入閉合電機控制系統，如圖1所示。該系統表示一個(gè)功能完整的PMSM市電輸入電機驅動(dòng)，具有功率因數校正、完全控制、通信信號隔離和光學(xué)編碼器反饋功能。該系統的核心是一個(gè)ARM Cortex®-M4混合信號控制處理器，即ADI的ADSP-CM408。它通過(guò)搭配IAR和MathWorks公司的工具，實(shí)現完整的MBD平臺部署。

 

圖1. 驅動(dòng)系統平臺(a)交流饋入閉合電機控制系統框圖(b)系統原型制作

 

 

目標驅動(dòng)系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(dòng)控制算法部署在混合信號專(zhuān)用信號處理器(ASSP)，包含外設，可捕獲電機反饋信號并控制電源逆變器。

 

系統有三個(gè)主要組件可用于建模：電源逆變器和電機(對象)、控制反饋電路和數字控制器。對象模型使用Simulink Simscape組件來(lái)仿真連續時(shí)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制器和電機驅動(dòng)模型之間的增益和數據類(lèi)型。

 

Simulink嵌入式編碼器工具創(chuàng )建的C語(yǔ)言代碼可以在仿真平臺和嵌入式控制處理器上精確反映算法的執行?；谀Ｐ驮O計的成功執行有賴(lài)于精確的系統和電路模型，以及正確分隔系統模型和嵌入式控制軟件。由于系統中混合了離散和連續時(shí)間函數，因此該仿真求解器采用了固定步長(cháng)離散求解器。

 

驅動(dòng)系統硬件包括電源板、控制板、以及帶編碼器反饋的PMSM (參見(jiàn)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，以及編碼器信號緩沖器?？刂瓢灏姍C控制ASSP(集成240 MHz ARM Cortex-M4F內核)以及專(zhuān)用電機控制外設(包括PWM定時(shí)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。

 

反饋信號采集和控制算法執行通過(guò)處理器中斷機制與PWM開(kāi)關(guān)頻率同步。由于對象中被關(guān)注的時(shí)間常數遠長(cháng)于PWM開(kāi)關(guān)周期，系統仿真采用相同的時(shí)間步長(cháng)。由于全開(kāi)關(guān)信號仿真無(wú)法提供有用的控制信息，電源逆變器使用平均值模型。

 

PMSM電機模型來(lái)源于MathWorks SimPower系統庫，受配置菜單(甚至預設模型參數)的支持。用戶(hù)可以在自定義電機或逆變器模型之間切換，具體取決于設計開(kāi)發(fā)的要求。

 

電機控制(MC)算法模型是一組離散時(shí)間函數，每一個(gè)時(shí)間步進(jìn)均在仿真和嵌入式平臺上執行。通常，MC算法函數包含在單個(gè)子系統模塊內，簡(jiǎn)化代碼產(chǎn)生過(guò)程。代碼生成器創(chuàng )建C語(yǔ)言代碼，來(lái)執行算法輸入、輸出和狀態(tài)變量的控制算法和數據結構。算法本身是常用的磁場(chǎng)定向控制(FOC)，具有外部速度環(huán)路、內部d軸和q軸電流環(huán)路，如圖2所示。

 

圖2. FOC算法

 

逆變器接口和反饋路徑分為傳感器信號調理和嵌入式接口模塊。電流傳感器和信號調理模型是簡(jiǎn)單的增益元素，因為它們的帶寬超出了控制反饋所關(guān)心的范圍。位置傳感器模型更為復雜，因為它提供高分辨率增量位置信號和低分辨率絕對位置信號。

 

嵌入式信號接口模型包括類(lèi)型轉換函數，因為ADC、Sinc濾波器、計數器和定時(shí)器外設具有16位或32位定點(diǎn)輸出數據寄存器。每個(gè)嵌入式接口的增益都是外設系統時(shí)鐘速率、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系統配置，確保仿真結果的精確性。

 

 

電機驅動(dòng)系統執行多種功能和電機控制算法。嵌入式軟件分為多個(gè)功能模塊，來(lái)實(shí)現平臺靈活性，并方便開(kāi)發(fā)。關(guān)鍵的代碼功能是系統初始化、通信接口、應用任務(wù)、電機控制接口和電機控制算法。圖3顯示的是高電平驅動(dòng)程序流程圖，圖4顯示的是代碼結構。

 

圖3. ISR說(shuō)明

 

圖4. 代碼分隔

 

主程序調用初始化例程來(lái)配置ASSP硬件，然后將處理器置于連續等待環(huán)路。所有其它函數都由事件驅動(dòng)型中斷服務(wù)例程(ISR)調用。ADC中斷具有最高優(yōu)先級，而當新傳感器數據樣本就緒時(shí)，ADC ISR調用電機控制函數。ADC采樣與PWM切換同步，為控制環(huán)路提供執行時(shí)序。ADC ISR每一個(gè)PWM周期執行一次，但僅在電機運行標識置位時(shí)才調用電機控制例程(PMSMctrl)。在代碼構建前選擇電機電流反饋路徑。

 

PWM觸發(fā)中斷是異步的；它僅在響應硬件故障時(shí)才會(huì )調用，而且是延遲故障的唯一函數，因為硬件PWM觸發(fā)函數會(huì )自動(dòng)關(guān)斷逆變器PWM信號。通信端口ISR具有較低的優(yōu)先級，處理用戶(hù)命令，并發(fā)送調試監控器函數捕捉的數據。內核定時(shí)器ISR管理背景應用任務(wù)，比如電機啟動(dòng)和停止序列、調試監控器接口以及其它管理類(lèi)任務(wù)。

 

嵌入式代碼按照功能組織而不是按編程順序組織。系統初始化代碼時(shí)以標準方式設置處理器時(shí)鐘、電源和內核定時(shí)器，與應用程序函數幾乎無(wú)關(guān)。通信和應用程序任務(wù)代碼通過(guò)用戶(hù)接口和系統管理要求定義，與電機控制算法幾乎沒(méi)有關(guān)系。

 

電機控制(MC)接口函數管理電機驅動(dòng)硬件和控制算法之間的信號數據流。此代碼專(zhuān)門(mén)用于控制驅動(dòng)電路以及控制為控制算法提供反饋信號的電機控制相關(guān)外設。電機控制算法是獨立于平臺的代碼，由Simulink生成，包含反饋和輸出信號的數據結構。所有其它驅動(dòng)代碼均為手動(dòng)編碼。

 

 

若要發(fā)揮MBD的最大效益，理解電機控制系統不同部分的建模詳細要求并盡可能將關(guān)鍵物理系統參數與相應模型參數相匹配很重要。這包括將已建模的系統分隔為不同的詳細部分?？傮w而言，以PWM平均值方式對整個(gè)系統建模就足夠了。例如，在高頻PWM開(kāi)關(guān)周期中以平均值處理所有信號，并且在電壓或電流信號中不包含PWM紋波或開(kāi)關(guān)分量。

 

系統模型分隔至邏輯模塊內，如圖5所示(圖中顯示相關(guān)信號流)。每一個(gè)模塊再進(jìn)一步細分(如圖中右側所示)，且每一個(gè)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(hù)命令模塊。用戶(hù)命令通過(guò)C語(yǔ)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后，便可正確處理。

 

圖5. 系統模型分隔

 

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(lèi)型大小、字節順序等)，通過(guò)使自動(dòng)代碼生成變?yōu)椴会槍δ硞€(gè)特定目標，便可最大程度實(shí)現代碼便攜性和易于維護。MathWorks提供特定處理器的代碼生成模塊，可直接尋址處理器外設和驅動(dòng)器。雖然某些情況下這種功能非常吸引人，其缺陷是代碼便攜性不足，且設備驅動(dòng)程序或外設配置的任何改變(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，代碼生成僅限控制算法，而Simulink模型包含全部外設函數模型，并在應用項目中手動(dòng)編碼。此方法在圖6中強調；由圖可知，MathWorks控制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制算法部分生成。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(lèi)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(xué)庫)。

 

圖7. 建模和代碼生成部署

 

影響代碼效率的另一個(gè)因素是使用的C語(yǔ)言"方言"。大部分代碼生成工具以及嵌入式工作臺支持的常見(jiàn)"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，如果嵌入式工作臺配置為根據C99構建代碼，則自動(dòng)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(diǎn)，則代碼性能會(huì )大打折扣，甚至在最差的情況下會(huì )使代碼產(chǎn)生非預期的作用。

 

另一個(gè)重要的因素是定點(diǎn)和浮點(diǎn)類(lèi)型表示。兩種編碼"方言"均支持定點(diǎn)，因此這種情況下選擇何種"方言"并不重要，只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(diǎn)類(lèi)型，則C"方言"的選擇就變得很重要。

 

C89/C90不區分單精度浮點(diǎn)和雙精度浮點(diǎn)。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；但對于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(dòng)代碼生成工具以及嵌入式工作臺設置為使用C99"方言"。

 

Simulink提供Simscape和SimMechanics等工具箱，當物理參數已知時(shí)可用來(lái)為機電系統輕松建模。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(shí)現電機控制算法的初步設計。就算法本身來(lái)說(shuō)，某些模塊很有用，比如Park變換和正弦余弦CORDIC近似模塊可以簡(jiǎn)化電機控制算法的開(kāi)發(fā)。

 

自動(dòng)代碼接口由初始化函數調用和一個(gè)或多個(gè)時(shí)間步長(cháng)函數調用定義，必須在主應用程序代碼內以適當的時(shí)間步長(cháng)調用。本例中有兩個(gè)時(shí)間步進(jìn)函數——主控制算法，在10 kHz PWM速率時(shí)調用，以及速度測量函數，在1 kHz速率時(shí)調用。自動(dòng)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(lián)網(wǎng)和保護，非常直觀(guān)。高優(yōu)先級任務(wù)(比如電機控制算法)從圖3中的ISR處調用。應用程序級任務(wù)從基本調度程序內核處作為調度任務(wù)調用。MC接口例程包含于電機控制和測量代碼模塊中，后者包含所有電流反饋信號處理代碼。ADI電機代碼包含用于系統測試的調試監視器函數，可以在電機運行時(shí)捕捉應用和控制算法信號數據。數據通過(guò)串行鏈路傳輸至PC，以供顯示和分析。

 

 

通過(guò)測量、計算和查閱數據手冊確定表1中的關(guān)鍵參數后，速度和電流環(huán)路的正確控制器增益便可使用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(shí)現。該過(guò)程詳見(jiàn)參考文獻3。

 

建模和實(shí)驗操作的電流環(huán)路性能如圖9和圖10所示。該曲線(xiàn)中的實(shí)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(jīng)驗操作的(a)速度響應以及(b) q軸電流參考

 

圖10. 電流環(huán)路性能——模型和經(jīng)驗結果

 

基于模型的自動(dòng)生成代碼的性能可以通過(guò)在PWM周期內檢查代碼執行的時(shí)間期限確定。這可以使用I/O引腳和示波器來(lái)完成，或更簡(jiǎn)單地使用IAR Embedded Workbench C-SPY調試器中的ITM事件功能來(lái)完成。PWM周期中事件的序列如圖11時(shí)間期限所示。

 

圖11. 代碼執行時(shí)間期限

 

PWM同步脈沖發(fā)生在每一個(gè)新PWM周期開(kāi)始處，并在硬件中連接ADC定時(shí)器，控制每個(gè)ADC通道的采樣。這種情況下，電機電流將在PWM同步脈沖之后立即采樣，并直接存儲器存儲(DMA)至存儲器，然后執行算法，并生成PWM占空比更新值。如圖11所示，執行基于模型的自動(dòng)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(wù)開(kāi)銷(xiāo)。以前對于自動(dòng)生成代碼效率的擔憂(yōu)將不復存在。

 

就代碼尺寸而言，算法自動(dòng)代碼的相對尺寸如表2所示；可以看出，自動(dòng)生成的代碼僅占據略大于10 kb的存儲器，約為總尺寸的15%。ADSP-CM408的可用SRAM為384 kB，顯然可以輕松支持該存儲器要求，允許程序以最高速率從SRAM運行，并提供足夠多的裕量用于更復雜的算法和其它監控或用戶(hù)接口功能。

 

表2. 代碼模塊尺寸

 

 

本文所討論的軟件假設為含有兩個(gè)主要組件的系統。第一個(gè)是基于模型的組件，部署控制算法。雖然模型以嵌入式目標為原則開(kāi)發(fā)，從自動(dòng)生成工具獲取的代碼本質(zhì)上是通用的。第二個(gè)是手寫(xiě)軟件組件，將通用算法代碼綁定至嵌入式目標，處理調度并分配處理器資源。在重用模型和擴展性方面，這種系統分隔有一定優(yōu)勢。

 

本文討論了單個(gè)電機(單軸)的控制開(kāi)發(fā)?，F在，想象驅動(dòng)程序規格通過(guò)同一個(gè)處理器調用兩個(gè)電機(雙軸)控制。無(wú)疑，這對系統來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的變化，但采用通用模型進(jìn)行工作的優(yōu)勢也得以凸顯。已經(jīng)完成開(kāi)發(fā)的單軸模型不對處理器外設作出任何假設——它是PM電機的通用控制算法。因而，創(chuàng )建一個(gè)可以控制單軸/雙軸的模型就變成了創(chuàng )建單軸模型第二個(gè)實(shí)例的問(wèn)題。

 

自然，手寫(xiě)代碼需要修改才能支持單軸/雙軸，但假設處理器具有一組正確的外設和計算資源來(lái)控制雙軸，則手寫(xiě)代碼的修改也很直觀(guān)。無(wú)論控制的是單軸或是雙軸，手寫(xiě)代碼的主要任務(wù)都是將數值分配至模型的輸入、將模型的輸出寫(xiě)入處理器外設，以及調度模型的執行時(shí)間。因此，從單軸到雙軸只不過(guò)是外設的分配/配置，并調度增加軸的算法執行時(shí)間。該過(guò)程是無(wú)縫的，并由于模型是通用的這一事實(shí)而得以實(shí)現。

 

如果只開(kāi)發(fā)一個(gè)單控制系統，那么使用基于模型的設計優(yōu)勢有限。然而，大多數情況下，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)意味著(zhù)多個(gè)產(chǎn)品變體，并且對于這些情況而言，重用模型具有很大的吸引力——不僅因為縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，還由于使用受信任模型而導致的質(zhì)量不斷上升。隨著(zhù)時(shí)間的推移，算法開(kāi)發(fā)人員將會(huì )創(chuàng )建模型庫；如果部署正確，這些模型可在不同產(chǎn)品之間重用。由于模型是通用的，它們可以運行在目前和未來(lái)的處理器上。

 

除了滿(mǎn)足產(chǎn)品變體的潛在要求或控制多軸之外，開(kāi)發(fā)人員有時(shí)候還能提供不同的控制器模式。一個(gè)典型的例子便是提供扭矩控制、速度控制和位置控制模式的應用。在電流和速度控制算法的基礎構建塊上可以部署位置控制算法。

 

在大多數應用中，位置控制環(huán)路作為圍繞內層速度和電流環(huán)路的外層?；镜奈恢每刂破鲀H需比例增益項。一般不需要積分項，因為位置環(huán)路中的任何穩態(tài)誤差都會(huì )導致非零速度參考。若內層電流和速度環(huán)路經(jīng)過(guò)良好調諧，則這些可以視為理想的單位增益模塊，以及調諧位置環(huán)路變?yōu)橐粋€(gè)直觀(guān)的任務(wù)。

 

除了外層比例控制環(huán)路，包含一個(gè)位置參考也可能很重要，以便負載遵循定義的周期和加速度與減速度速率。這對于最大程度減少很多系統中的機械應力而言十分重要。在本應用示例中，恒定加速度、恒定速度和恒定減速度曲線(xiàn)施加到位置參考變化，如圖12所示；圖中表示位置參考、曲線(xiàn)位置參考以及相應的理想速度曲線(xiàn)。至于哪個(gè)實(shí)際速度遵循該曲線(xiàn)則取決于速度控制器的動(dòng)態(tài)響應。

 

圖12. 位置參考曲線(xiàn)

 

所有這些功能——位置環(huán)路增益、位置曲線(xiàn)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于模型的部分。唯一需要的手寫(xiě)代碼更改是I/O配置，以支持家庭位置和終端-停止信號。

 

 

基于模型的設計是強大的工具，可以加速電機驅動(dòng)制造商的嵌入式開(kāi)發(fā)。如果以通用方式設置和配置，則可以大幅減輕手寫(xiě)代碼開(kāi)發(fā)和維護的重擔。它還能加快產(chǎn)品上市時(shí)間，因為代碼開(kāi)發(fā)可在缺少硬件的情況下初始處理——只要提供關(guān)鍵系統組件的合理精確模型。

 

這些特性已在PMSM驅動(dòng)器情形中得到證實(shí)，該驅動(dòng)器在擴展至多軸和位置控制的FOC下操作。對軟件模塊和基于模型的組件進(jìn)行分割的方法已經(jīng)詳細說(shuō)明，可以?xún)?yōu)化基于模型的解決方案提供的數值。實(shí)驗數據也表明了模型在優(yōu)化速度控制器參數、代碼生成緊湊性和效率方面的優(yōu)勢。

 

本文轉載自亞德諾半導體。