基于模型的高級電機控制系統(tǒng)設計

　　最近幾十年來，借助高級處理器功能來簡化設計一直都是廣泛討論的話題。如今，設計靈活性進一步提高，使工程師能夠采用標準的MATLAB® 和 Simulink®模型設計來優(yōu)化電機控制系統(tǒng)，并縮短整體設計時間。此外，設計工程師還能夠重復使用仿真模型，確保系統(tǒng)在終端市場應用中具有正確的功能和所需性能。

　　圖 1 – 設計發(fā)展史與設計能力

　　基于模型的設計 (MBD) 經(jīng)過數(shù)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)建到完整實現(xiàn)。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現(xiàn)。2000 年代仿真工具的發(fā)展迎來了圖形化控制原理圖輸入工具和控制設計工具，大大簡化了復雜的控制設計和評估任務。但是，控制系統(tǒng)設計師仍然需要編寫 C 語言來開發(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?qū)崿F(xiàn)仿真平臺和硬件實現(xiàn)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 是指在整個開發(fā)過程中使用一個系統(tǒng)模型作為可執(zhí)行規(guī)范。與傳統(tǒng)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(quán)衡要素，從而能夠優(yōu)化設計，達到預定的性能標準。設計師無需使用復雜的結(jié)構(gòu)和大量軟件代碼，通過連續(xù)時間和離散時間構(gòu)建模塊，就可以定義具有高級功能特性的各種模型。將現(xiàn)有 C 代碼與標準控制庫模塊整合，可實現(xiàn)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) 仿真的時間。通過仿真，我們能夠立即發(fā)現(xiàn)各種規(guī)范差異和模型誤差，不會等到設計周期的后續(xù)環(huán)節(jié)才發(fā)現(xiàn)。在硬件平臺上運行相同算法時，自動代碼生成省去了手動步驟。這可簡化設計過程、減少硬件設計實現(xiàn)過程的錯誤，并縮短整體上市時間。

　　MBD 過程有多個步驟可優(yōu)化整體設計中的各項任務。這些任務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(tǒng)。借助此方法，各項任務可在更高的抽象層進行設計，從而針對給定的最終應用優(yōu)化整體設計流程。總而言之，MBD 使設計師能夠從更多經(jīng)典設計方案開始擴展，以可控方式直接從模型創(chuàng)建轉(zhuǎn)到仿真、代碼生成和 HIL 測試，無需重新設計整個系統(tǒng)就可對系統(tǒng)行為做出遞增改變。

　　圖 3 - MBD 實現(xiàn)的概念

　　在圖 3中，我們以直觀的方式顯示 MBD 流程的不同設計階段和每個步驟的范圍。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：

　　· 運行概念

　　o 電機系統(tǒng)的整體功能

　　· 工廠建模/系統(tǒng)架構(gòu)

　　o 電機、負載、功率電子設備、信號調(diào)理等設備的模型開發(fā)。

　　· 控制器建模和要求

　　o 三相永磁電機基于編碼器的磁場定向控制

　　· 分析和綜合 – 詳細設計

　　o 上述創(chuàng)建模型用于確定工廠模型的動態(tài)特性

　　o 系統(tǒng)調(diào)諧和配置

　　· 驗證和測試

　　o 離線仿真和/或?qū)崟r仿真

　　o 動態(tài)系統(tǒng)時間響應調(diào)查

　　· 嵌入式目標實施過程 – 全面運行

　　o 自動代碼生成

　　o 測試和驗證

　　o 更新控制器模型

　　圖 4 - MBD 設置

　　以上可構(gòu)成調(diào)整整體設計的多步驟方法，并且可單獨分析每個控制步驟。軟硬件規(guī)范完成后，就可針對整個系統(tǒng)的具體算法和功能部署建立完整的系統(tǒng)架構(gòu)(參見圖4 )?？蓪刂破骱凸S模型的仿真過程進行評估，還可對不涉及硬件的算法離線開發(fā)過程進行合理構(gòu)建并微調(diào)，從而達到整個系統(tǒng)的性能要求。對于初始生成的代碼，無論是“重復使用”的現(xiàn)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施，以便將 PC 上的系統(tǒng)仿真情況與硬件目標的實際實現(xiàn)數(shù)據(jù)進行對比。設計師在定義 MBD 的平衡結(jié)構(gòu)時，必須考慮模型的復雜度。不過，某個平衡概念實現(xiàn)之后，也可以快速更改設計內(nèi)的獨立模型，使整個驅(qū)動系統(tǒng)獲得更準確的結(jié)果。

　　本文采用的實驗設置是基于ADI 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，實現(xiàn) MBD 平臺。上述每個步驟都可直接鏈接至可用工具和整個實現(xiàn)過程。

　　圖 5 - MathWorks 與 IAR 系統(tǒng)優(yōu)勢

　　參見圖5，每條工具鏈都具有使用價值。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)造的全部價值二者之間的關(guān)系。

　　圖 6 – 實施環(huán)境

　　對于目標平臺，實時開發(fā)環(huán)境現(xiàn)可適用于建模、仿真、評估、部署和優(yōu)化整個系統(tǒng)的性能和功能。這一切都基于 MBD 和平衡選擇系統(tǒng)參數(shù)，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(tǒng)的可擴展模型得以實現(xiàn)，進而有助于代碼的使用和重復使用，這些代碼可以基于現(xiàn)有舊代碼或功能，也可以基于標準 C 的全新構(gòu)建模塊或圖形化功能(Simulink/MATLAB 模型對應完整的仿真和實施階段)。不僅從軟件角度來看可以更改整體設置，而且在為系統(tǒng)開發(fā)出正確的設備驅(qū)動程序之后，設計師也可更改最終應用或系統(tǒng)的資源、硬件元件和整個應用軟件。此外，還能夠?qū)崟r控制整個系統(tǒng)的時序，所以直接借助此環(huán)境就可實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度最優(yōu)化。

　　圖 7 – “驅(qū)動系統(tǒng)”框圖

　　仔細觀察這個典型的驅(qū)動系統(tǒng)框圖，便可直觀地了解此架構(gòu)的功能。我們可以優(yōu)化“驅(qū)動系統(tǒng)”中的每個要素，并著重關(guān)注對最終系統(tǒng)最為重要的要素。舉例來說，如果保護功能和數(shù)值范圍最重要，則應著重關(guān)注與電氣控制和功率系統(tǒng)結(jié)合的機械系統(tǒng)?？删C合運用仿真結(jié)果和實時數(shù)據(jù)來監(jiān)控系統(tǒng)行為，共同實現(xiàn)“即時”優(yōu)化。另一方面，如果噪聲干擾降低了系統(tǒng)的整體效率水平，則可以在可擴展濾波器和觀測器中使用其測量值，最大程度地減少硬件噪聲問題以實現(xiàn)最佳狀態(tài)。針對所有因素建模并收集相關(guān)數(shù)據(jù)之后，就可以開始實施階段的最后一步，而目標系統(tǒng)的完整實現(xiàn)階段亦可成為現(xiàn)實。

　　圖 8 – 實現(xiàn)和編譯

　　通過 MBD 設計流程和 MathWorks 與 IAR，可對代碼進行編譯，并使整體模型得以實現(xiàn)。“驅(qū)動系統(tǒng)”模型的每個階段或要素都可通過 MATLAB 和 Simulink 模型來表示，該模型已調(diào)整至符合最優(yōu)設計標準的適當水平。模型中的每個要素均基于 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(qū)動系統(tǒng)的不同域，并且均可進行微調(diào)，以便最大程度減少模型相對于實施的誤差。通過實時實施方法并在此混合環(huán)境下編譯，還可將現(xiàn)有手寫 C 代碼與由 Embedded Coder®(嵌入式編碼器)生成并經(jīng)過 ARM Cortex M4 優(yōu)化的 C 代碼相結(jié)合。Embedded Coder® 是一款適用于 MATLAB 和 Simulink 的生產(chǎn)代碼生成工具。整個過程使得用戶能夠正確地重復使用現(xiàn)有的電機控制設計知識。此時，IAR 嵌入式工作臺可獲取生成的代碼，并對 ARM Cortex M4 的完整項目進行編譯，這也表示此系統(tǒng)的 MBD 實現(xiàn)階段結(jié)束。

　　圖 9 – 基于模型設計構(gòu)建系統(tǒng)的仿真和運行時間數(shù)據(jù)(處理器數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù))

　　自 MBD 問世以來，人們就一直在質(zhì)疑其相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)的性能和功能，以及系統(tǒng)整體資源的使用效率。經(jīng)過元件供應商、仿真和實施供應商以及工具編譯器供應商的不懈努力，現(xiàn)如今 MBD 已經(jīng)與傳統(tǒng)實施方式不相上下。當然，任何為實時系統(tǒng)編寫和開發(fā)代碼的過程均可能效率低下，這取決于所使用的實現(xiàn)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(tǒng)開發(fā)的強大優(yōu)勢組合在一起，從而盡可能減少代碼開發(fā)費用，實現(xiàn)最高性能。MathWorks 會按照 IEC 61508、ISO 26262 和相關(guān)功能安全標準對嵌入式編碼器進行工具資格驗證。

　　在標準設計流程中，實現(xiàn)這一系列功能要困難得多。在上述例子中，標準磁場定向控制 (FOC) 模型在 ADI 公司的 ADSP-CM40x 系列上實現(xiàn)。該模型的位置反饋和電流環(huán)路反饋的執(zhí)行時間為 15 us，并且可對電流方案和調(diào)試設備進行實時分析。該模型還可追蹤整個 FOC 方案的功能性。可以對 MBD 仿真結(jié)果和實時數(shù)據(jù)進行評估，并與理想的系統(tǒng)功能和目標規(guī)格進行比較。因此，設計師能夠不斷提高系統(tǒng)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(xiàn)與目標規(guī)格的差異情況。

　　本文介紹了一種采用 MBD 構(gòu)建電機控制系統(tǒng)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，以便能夠開發(fā)和運用更高抽象層的圖形工具，從而縮短上市時間，提高安全性、性能以及可擴展性，為獲得高度優(yōu)化的系統(tǒng)打下基礎。關(guān)于這些主題和 ADI 公司的更多信息，請訪問 motorcontrol.analog.com