电机控制系统开发及模型设计

　　摘要：随着现代控制技术的发展， 控制算法越来越复杂， 控制算法的自动验证和代码自动生成已经成为趋势。传统的电机控制算法开发是系统仿真， 编写代码， 最后测试。采用传统手工编程的方式去编写复杂的控制算法， 对于初学者来说难度非常大。对于算法设计人员来说， 需要一种方法能够解决以上问题。

　　关键词：基于模型的设计； Embedded Coder; 磁场定向算法； 永磁同步电机； PIL;

目录

　　1电机控制系统开发流程…………………………………………………………1

　　2建模规范检查与测试…………………………………………………………2

　　3处理器在环测试…………………………………………………………3

　　4总结…………………………………………………………4

　　文内图表…………………………………………………………5

　　图1 PIL工作流程图…………………………………………………………6

　　图2 PIL仿真结果图…………………………………………………………7

　　图2 PIL仿真结果图…………………………………………………………8

　　参考文献…………………………………………………………9

　　Matlab提供的基于模型设计平台 （Model Based Design, MBD） , 可以实现从需求分析到代码验证的整个开发过程， 用户可以建立系统级模型的仿真验证， 优化系统参数， 自动生成高效的目标器件专用代码。利用Matlab提供的开发环境， 用户可以开发和验证控制算法， 成功的完成从算法的设计验证到自动生成代码过程。

　　1 电机控制系统开发流程

　　在开发中， 首先是通过文本需求建立可执行文档， 在这一部分中， 主要是建模， 通过建模可以避免传统文本的弊端， 通过可视化和可执行化的模型避免文本需求的歧义和冗余。建模之后， 为生成符合相关安全标准的代码， 需要对模型进行建模规范检查， 使用Simulink V&V工具集可自动完成这一流程。为验证算法的正确性， 模型检查通过后， Matlab提供的System Test （系统测试） 与Simulink Design Verifier （设计验证器） 工具可以完成对控制系统的测试。模型测试后， 使用Embedded coder工具生成嵌入式代码， 通过编译连接生成目标代码， 下载到处理器中做代码的等效性测试， 如处理器在环测试 （PIL） 等。通过这完整的流程， 从文本需求到系统测试提供了一个统一的平台， 方便开发人员交流， 极大的提高了开发的效率。

　　2 建模规范检查与测试

　　模型出来并且可以编译之后， 首先要做建模标准检查， 这个过程使用工具Simulink Verification&Validation工具集提供的model advisor自动化的完成。Model Advisor可以理解模型的静态检查， 用来验证模型是否正确的搭建出来。这是建模检查的第一步， 对建立的模型进Model Advisor检查， 这在设计初期非常重要， 用户通过检查， 能够找出模型中与建模标准或者安全标准不相符合的部分， 对模型中隐含的问题给予警告， 并且指导用户修改， 是代码生成前重要的工作。Model Advisor提供了常见的建模标准和安全标准供用户选择， 同时通过API接口， 用户可以建立自己公司的建模标准。

　　3 处理器在环测试

　　图1 PIL工作流程图  

　　处理器在环测试是在Simulink中搭建被控对象的模型， 而将控制器算法代码下载到目标处理器中去执行， 通过串口或者网络接口通信， 对处理器和Simulink进行实时数据交换， 这种硬件在环实时仿真技术可以反映控制器的实际工作情况， 得到算法的执行时间， 便于及早的发现错误。其工作原理如图1所示。

　　PIL环节是基于模型设计中非常重要的环节， 因为系统控制系统模型的仿真只能验证算法的正确性， 但是由于算法对处理器性能要求很高， 算法的执行时间直接关系到整个控制系统是否稳定。在电机控制系统中， 如果FOC算法的执行算法的时间大于PWM的周期， 则会导致整个系统无法工作。

　　对于处理器在环测试设置比较复杂， 所以为能够完成自动化的测试， 本文建立自动化的测试程序如下：

　　其中model为系统仿真的模型， 通过上述程序既可以自动进行PIL测试。用户运行profile （IDE_Obj, 'execution', report） 即可以生成代码实时运行的结果如图2所示。

　　图2 PIL仿真结果图  

　　图2 PIL仿真结果图  

　　4 总结

　　基于模型的设计优势在于算法的早期验证， 使得开发者可以将主要精力放在算法开发上， 代码则由Matlab自动生成， 很好的提高工作效率。在实际的开发中， 将算法生成为函数进行调用， 一般底层驱动和控制流程使用汇编语言或者C手工编写。如果通过Matlab对底层驱动建模则十分复杂， 得不偿失， 控制流程开发也没有C语言灵活。

　　参考文献
　　[1]刘杰。基于模型的设计及其嵌入式实现[M].北京：北京航空航天大学出版社， 2010.
　　[2]The MathWorks, Inc.Embedded coder6 Geting Started Guide, April 2011.
　　[3]The MathWorks, Inc.Embedded coder 6 User's Guide, April 2011.
　　[4]The MathWorks, Inc.Stateflow 7 Geting Started Guide, April 2011.