基于模型的無刷電機(jī)控制代碼快速生成

引言

　　隨著軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，以及用戶對(duì)產(chǎn)品安全性，可靠性的要求，嵌入式應(yīng)用的開發(fā)難度與代碼體積都在迅速增加，傳統(tǒng)的基于文本的開發(fā)方式已經(jīng)越來越難以滿足這種高性能與快節(jié)奏研發(fā)的要求。

　　基于模型的設(shè)計(jì)方法利用Mathworks提供的一系列工具，可直接實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)理念到算法模型，再由模型自動(dòng)生成嵌入式代碼的高效開發(fā)流程。對(duì)于本例來說，在LPC2124芯片上實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)控制（BLDC），設(shè)計(jì)者無需考慮如何將電機(jī)狀態(tài)的變換用C或匯編語言體現(xiàn)，僅需關(guān)注算法本身，將繁瑣的代碼生成工作交給計(jì)算機(jī)完成。這樣可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，顯著提高工作效率。

1　原理分析

　　直流無刷電機(jī)的工作離不開電子開關(guān)電路，因此由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)電路3部分組成了直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。直流電源通過開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)位置信號(hào)來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而自動(dòng)地控制哪些繞組通電、哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)了電子換相。

圖1　無刷電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　下面以一個(gè)三相繞組的無刷電機(jī)為例，簡(jiǎn)要介紹其工作原理。圖2為三相全橋式驅(qū)動(dòng)電路原理圖，對(duì)其采用二相通電的方式驅(qū)動(dòng)，即有兩個(gè)繞阻同時(shí)通電。圖中包含6個(gè)晶體管、二極管組成的三相逆變電路，Ha、Hb、Hc為霍爾元件反饋的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)?？刂齐娐窌?huì)根據(jù)位置信號(hào)決定6路PWM信號(hào)的通斷，進(jìn)而使功率管導(dǎo)通或關(guān)斷，使繞阻按一定順序?qū)?，?qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

　　當(dāng)采用二相導(dǎo)通方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，功率管的導(dǎo)通或關(guān)斷情況經(jīng)過1/6周期(即60°)。在直流無刷電機(jī)的內(nèi)部嵌有3個(gè)霍爾位置傳感器，它們?cè)诳臻g上相差120°。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，當(dāng)它在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，其磁場(chǎng)將發(fā)生變化形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，每個(gè)霍爾傳感器都會(huì)產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號(hào)。

圖2　三相全橋式驅(qū)動(dòng)電路原理圖

　　假設(shè)當(dāng)前功率管V1、V6導(dǎo)通，則電流從A相流入電機(jī)，從C相流出電機(jī)，由電流經(jīng)繞阻產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)?A,C)。由A和C的合磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到AC位置。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)使霍爾傳感器的輸出發(fā)生變化，控制電路會(huì)據(jù)此調(diào)整功率管的導(dǎo)通情況，將V6關(guān)斷，V5導(dǎo)通。這時(shí)，電流從A相流入電機(jī)，從B相流出電機(jī)，經(jīng)繞阻產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)?A,B)。由A和B的合磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到AB位置。同樣，霍爾器件又會(huì)輸出一個(gè)不同的值，控制電路作出相應(yīng)的處理，完成一個(gè)完整的換相周期。

2　模型搭建

　　根據(jù)上述原理簡(jiǎn)介可知，無刷電機(jī)由一組PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。PWM信號(hào)按霍爾元件傳送的位置信號(hào)決定其通斷狀態(tài)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)；而PWM信號(hào)占空比可用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在Stateflow中創(chuàng)建狀態(tài)圖，模型共設(shè)置PWM1~6六路PWM信號(hào)，并以按鍵key的值控制電機(jī)的開關(guān)，由此可得無刷電機(jī)的狀態(tài)圖，如圖3所示。

圖3　無刷電機(jī)狀態(tài)圖

　　MotorOff子狀態(tài)中，將6路PWM信號(hào)的占空比調(diào)至0，以達(dá)到關(guān)閉電機(jī)的作用，如圖4所示。

圖4　MotorOff子狀態(tài)

　　MotorOn子狀態(tài)與MotorOff子狀態(tài)基本類似，不同之處在于：模型接收霍爾元件傳送回的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，并以此判斷PWM信號(hào)的通斷。當(dāng)霍爾元件返回值為1時(shí)，第2、6路PWM信號(hào)導(dǎo)通；值為2時(shí)，第3、4路PWM信號(hào)導(dǎo)通；值為3時(shí)，第2、4路PWM信號(hào)導(dǎo)通；值為4時(shí)，第1、5路PWM信號(hào)導(dǎo)通；值為5時(shí)，第1、6路PWM信號(hào)導(dǎo)通；值為6時(shí)，第3、5路PWM信號(hào)導(dǎo)通。

　　Stateflow狀態(tài)圖中的變量pinsel0、pinsel1、io0dir為芯片設(shè)置位，pwmmr0~pwmmr6聯(lián)合控制PWM輸出，sensor表示霍爾器件的值，key控制電機(jī)是否工作，變量speed用于接收外部的控制信號(hào)（例如電位器和ADC），調(diào)節(jié)PWM占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

　　完成Stateflow狀態(tài)圖之后，再配合Simulink中的庫模塊即可完成如圖5所示的算法模型。當(dāng)key=1，電機(jī)處于打開狀態(tài)時(shí)，若霍爾傳感器狀態(tài)為1，則第2和第6路PWM信號(hào)導(dǎo)通，輸出512。信號(hào)占空比是由pwmmr0~pwmmr6聯(lián)合控制的，pwmmr0已將PWM波的周期定義為1 024，則輸出512即表示占空比為1:1，這證明算法模型達(dá)到了預(yù)期目的。

圖5　算法模型3代碼快速生成

　　RTW生成實(shí)時(shí)代碼的過程大致可分為成4個(gè)階段：

① 用戶在MATLAB/Simulink/Stateflow建立算法模型。
② TLC目標(biāo)語言編譯器讀取.rtw文件中的信息，將模型轉(zhuǎn)化成源代碼。
③ 生成指定目標(biāo)的代碼。
④ 連接開發(fā)目標(biāo)程序所需的環(huán)境。

　　由上述過程可知，需要對(duì)模型作部分修改。圖5所示模型中，設(shè)計(jì)者需要將各個(gè)信號(hào)源模塊和顯示器模塊替換為輸入/輸出端口模塊，這樣才能在生成的代碼中為硬件預(yù)留數(shù)據(jù)接口。在模型配置頁面中需要將硬件類型指定為ARM compatible，求解器設(shè)置為離散型，RTW中的模板文件設(shè)置為ert.tlc。

　　完成上述設(shè)置后，將模型保存為arm_BLDC.mdl，按下模型工具欄的按鈕即可生成代碼。如果計(jì)算機(jī)上已經(jīng)安裝了TASKING IE FOR ARM軟件，并與MATLAB平臺(tái)正確關(guān)聯(lián)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成工程，并編譯生成可執(zhí)行文件，非?？旖莘奖恪Ｎ窗惭b該軟件的用戶可用自己熟悉的IDE自行創(chuàng)建工程并加入自動(dòng)生成的C代碼，之后對(duì)ert_main.c文件的代碼作部分修改（有注釋的部分為修改內(nèi)容）：

……
#include LPC2124.h/*添加LPC2124頭文件*/
extern void PWM_Init(void);/*聲明外部函數(shù)PWM_Init*/
extern void AD_Read(void);/*聲明外部函數(shù)AD_Read*/
……//模型輸入口與硬件相關(guān)聯(lián)
arm_BLDC_U.In1=(IO0PIN0x03800000)>>23;
arm_BLDC_U.In2=(IO0PIN0x8000)>>15;
……//模型輸出口與硬件相關(guān)聯(lián)
PINSEL0=arm_BLDC_Y.Out1;
PINSEL1=arm_BLDC_Y.Out2;
IO0DIR=arm_BLDC_Y.Out3;
PWMMR0=arm_BLDC_Y.Out4;
PWMMR1=arm_BLDC_Y.Out5;
PWMMR2=arm_BLDC_Y.Out6;
PWMMR3=arm_BLDC_Y.Out7;
PWMMR4=arm_BLDC_Y.Out8;
PWMMR5=arm_BLDC_Y.Out9;
PWMMR6=arm_BLDC_Y.Out10;
PWMLER=arm_BLDC_Y.Out11;
……
int_T main(int_T argc, const char_T *argv[]);
int_T main(int_T argc, const char_T *argv[]){
/* Initialize model */
arm_BLDC_initialize();
PWM_Init();//調(diào)用PWM_Iint()
ADCR=0x002E0401;//ADC初始化
/* Simulating step behavior */
while (rtmGetErrorStatus(arm_BLDC_M) == (NULL)) {
AD_Read();//調(diào)用A/D_Read()
arm_BLDC_U.In3=(ADDR>>6) 0x3FF;// AD結(jié)果賦值到In3口
rt_OneStep();//調(diào)用rt_OneStep()
}
……//刪除printf與fflush代碼
……

　　BLDC控制模型利用了芯片中的PWM發(fā)生和ADC功能，因此還需要這兩個(gè)模塊的初始化代碼。將初始化代碼保存為BLDC_init.c并加入到工程中即可進(jìn)行編譯。

#includeLPC2124.h
void PWM_Init(void){//初始化LPC2124芯片的PWM功能
PWMPR=1200; //設(shè)置分頻系數(shù)
PWMMR0=1024;//PWMMR0~PWMMR6控制初始占空比
PWMMR1=PWMMR2=PWMMR3=PWMMR4=PWMMR5=PWMMR6=0;
PWMMCR=0x00000002; //重置MR0時(shí)鐘
PWMPCR=0x7E00; //使能PWM1~PWM6輸出
PWMLER=0x7F; //使能PWM0~PWM6鎖存
PWMTCR=0x09; //使能PWM模式并啟動(dòng)定時(shí)器
}
void AD_Read(void){
ADCR=(ADCR0x00FFFF00)|0x01|(124);//設(shè)置通道1，并進(jìn)行第1次轉(zhuǎn)換
while((ADDR0x80000000)==0);//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束
ADCR =~0x01000000;//停止轉(zhuǎn)換
}

4　虛擬硬件測(cè)試

　　在Proteus7.7平臺(tái)下，可以方便地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬硬件測(cè)試。根據(jù)前述原理簡(jiǎn)介，不難搭建如圖6所示的Proteus硬件原理圖。左側(cè)的按鍵控制電機(jī)的運(yùn)行/停止，電位器與ADC控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；中部為三相電橋，分別與電機(jī)的三相相連；下方是由3個(gè)IR2112構(gòu)成的放大電路；上方為示波器。

圖6　Proteus硬件原理圖

　　在LPC2124芯片中加載編譯生成的hex文件進(jìn)行測(cè)試，即可正確實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

結(jié)語

　　基于模型設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)通用的開發(fā)與測(cè)試平臺(tái)，可將算法模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為嵌入式C代碼，大大降低嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的門檻，設(shè)計(jì)者可輕松生成優(yōu)化的自定義C代碼，縮短了開發(fā)周期，避免了過多的人為錯(cuò)誤。

　　在開發(fā)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行不斷的測(cè)試，與傳統(tǒng)方法相比，測(cè)試得更為徹底，并且在后期更進(jìn)行了Proteus虛擬硬件測(cè)試，進(jìn)一步確保了設(shè)計(jì)的可靠性。

　　這種由概念到實(shí)現(xiàn)的開發(fā)方式在國外已經(jīng)有廣泛應(yīng)用，本文也對(duì)其優(yōu)勢(shì)有所論述，相信該方法在國內(nèi)會(huì)受到越來越多的青睞。