基于模型的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化嵌入式電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

ADI;? 　　Dara O’Sullivan， Jens Sorensen， 和 Aengus Murray

本文描述了圍繞基于ARM的嵌入式電機(jī)控制處理器構(gòu)建的基于模型設(shè)計(jì)(MBD)平臺(tái)的詳細(xì)情況。隨后，本文提供最初部署的基本永磁同步電機(jī)(PMSM)控制算法示例，并介紹了方便的功能擴(kuò)展，以包含自動(dòng)化系統(tǒng)的多軸位置控制。

長(zhǎng)期以來(lái)，系統(tǒng)和電路建模一直是電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方面。采用MBD方法后，電氣、機(jī)械和系統(tǒng)級(jí)模型用于在構(gòu)建和測(cè)試物理硬件前評(píng)估設(shè)計(jì)概念。MathWorks最新的仿真工具可以對(duì)
完整的嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，包括電氣電路和機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域。同時(shí)，嵌入式編碼工具從控制系統(tǒng)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(tái)上。

這些工具實(shí)現(xiàn)了基于模型的設(shè)計(jì)過(guò)程，人們可以在最終硬件測(cè)試前先在仿真平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)并完全測(cè)試。成功構(gòu)建MBD平臺(tái)的關(guān)鍵是分隔系統(tǒng)模型和嵌入式軟件代碼。一旦MBD平臺(tái)使用已知算法和系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試后，便可開(kāi)發(fā)新算法，并在仿真平臺(tái)上以系統(tǒng)工作極限安全地測(cè)試。

完整的設(shè)計(jì)流程

MBD經(jīng)過(guò)數(shù)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(xiàn)的完整設(shè)計(jì)流程。MBD是解決設(shè)計(jì)復(fù)雜嵌入式控制系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題的數(shù)學(xué)和可視化方法。設(shè)計(jì)師無(wú)需使用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和大量軟件代碼，通過(guò)連續(xù)時(shí)間和離散時(shí)間構(gòu)建模塊，就可以使用MBD定義具有高級(jí)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(shè)計(jì)、軟件測(cè)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(xiàn)各種規(guī)范差異和模型誤差，不會(huì)等到設(shè)計(jì)周期的后續(xù)環(huán)節(jié)才發(fā)現(xiàn)。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。總而言之，MBD方法使設(shè)計(jì)師能夠從更多經(jīng)典設(shè)計(jì)方案開(kāi)始擴(kuò)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(cè)試，無(wú)需重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)就可對(duì)系統(tǒng)行為作出遞增改變。

本文中的實(shí)驗(yàn)性設(shè)置基于交流饋入閉合電機(jī)控制系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)表示一個(gè)功能完整的PMSM市電輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有功率因數(shù)校正、完全控制、通信信號(hào)隔離和光學(xué)編碼器反饋功能。該系統(tǒng)的核心是一個(gè)ARM Cortex?-M4混合信號(hào)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(xiàn)完整的MBD平臺(tái)部署。

圖1. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)(a)交流饋入閉合電機(jī)控制系統(tǒng)框圖(b)系統(tǒng)原型制作

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模

目標(biāo)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(qū)動(dòng)控制算法部署在混合信號(hào)專用信號(hào)處理器(ASSP)，包含外設(shè)，可捕獲電機(jī)反饋信號(hào)并
控制電源逆變器。

系統(tǒng)有三個(gè)主要組件可用于建模：電源逆變器和電機(jī)(對(duì)象)、控制反饋電路和數(shù)字控制器。對(duì)象模型使用Simulink Simscape組件來(lái)仿真連續(xù)時(shí)間域內(nèi)的電源逆變器電氣電路和電機(jī)機(jī)電元素。反饋電路模型處理控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模型之間的增益和數(shù)據(jù)類型。

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(tái)和嵌入式控制處理器上精確反映算法的執(zhí)行?；谀Ｐ驮O(shè)計(jì)的成功執(zhí)行有賴于精確的系統(tǒng)和電路模型，以及正確分隔系統(tǒng)模型和嵌入式控制軟件。由于系統(tǒng)中混合了離散和連續(xù)時(shí)間函數(shù)，因此該仿真求解器采用了固定步長(zhǎng)離散求解器。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(shù)字和模擬信號(hào)隔離電路，以及編碼器信號(hào)緩沖器。控制板包含電機(jī)控制ASSP(集成240 MHz ARM Cortex-M4F內(nèi)核)以及專用電機(jī)控制外設(shè)(包括PWM定時(shí)器、正交編碼計(jì)數(shù)器、Sinc濾波器和嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC))。硬件包含電機(jī)電流反饋選項(xiàng)，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-?型轉(zhuǎn)換器)，以及嵌入式Sinc濾波器。

反饋信號(hào)采集和控制算法執(zhí)行通過(guò)處理器中斷機(jī)制與PWM開(kāi)關(guān)頻率同步。由于對(duì)象中被關(guān)注的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)長(zhǎng)于PWM開(kāi)關(guān)周期，系統(tǒng)仿真采用相同的時(shí)間步長(zhǎng)。由于全開(kāi)關(guān)信號(hào)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(jī)模型來(lái)源于MathWorks SimPower系統(tǒng)庫(kù)，受配置菜單(甚至預(yù)設(shè)模型參數(shù))的支持。用戶可以在自定義電機(jī)或逆變器模型之間切換，具體取決于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的要求。

電機(jī)控制(MC)算法模型是一組離散時(shí)間函數(shù)，每一個(gè)時(shí)間步進(jìn)均在仿真和嵌入式平臺(tái)上執(zhí)行。通常，MC算法函數(shù)包含在單個(gè)子系統(tǒng)模塊內(nèi)，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(zhí)行算法輸入、輸出和狀態(tài)變量的控制算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。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(nèi)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(hào)調(diào)理和嵌入式接口模塊。電流傳感器和信號(hào)調(diào)理模型是簡(jiǎn)單的增益元素，因?yàn)樗鼈兊膸挸隽丝刂品答佀P(guān)心的范圍。位置傳感器模型更為復(fù)雜，因?yàn)樗峁└叻直媛试隽课恢眯盘?hào)和低分辨率絕對(duì)位置信號(hào)。

嵌入式信號(hào)接口模型包括類型轉(zhuǎn)換函數(shù)，因?yàn)锳DC、Sinc濾波器、計(jì)數(shù)器和定時(shí)器外設(shè)具有16位或32位定點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)寄存器。每個(gè)嵌入式接口的增益都是外設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘速率、采樣速率和接口外設(shè)寄存器設(shè)置的函數(shù)。模型參數(shù)必須匹配嵌入式系統(tǒng)配置，確保仿真結(jié)果的精確性。

軟件分隔和代碼生成

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行多種功能和電機(jī)控制算法。嵌入式軟件分為多個(gè)功能模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)靈活性，并方便開(kāi)發(fā)。關(guān)鍵的代碼功能是系統(tǒng)初始化、通信接口、應(yīng)用任務(wù)、電機(jī)控制接口和電機(jī)控制算法。圖3顯示的是高電平驅(qū)動(dòng)程序流程圖，圖4顯示的是代碼結(jié)構(gòu)。

圖3. ISR說(shuō)明

主程序調(diào)用初始化例程來(lái)配置ASSP硬件，然后將處理器置于連續(xù)等待環(huán)路。所有其它函數(shù)都由事件驅(qū)動(dòng)型中斷服務(wù)例程(ISR)調(diào)用。ADC中斷具有最高優(yōu)先級(jí)，而當(dāng)新傳感器數(shù)據(jù)樣本就緒時(shí)，ADC ISR調(diào)用電機(jī)控制函數(shù)。ADC采樣與PWM切換同步，為控制環(huán)路提供執(zhí)行時(shí)序。ADC ISR每一個(gè)PWM周期執(zhí)行一次，但僅在電機(jī)運(yùn)行標(biāo)識(shí)置位時(shí)才調(diào)用電機(jī)控制例(PMSMctrl)。在代碼構(gòu)建前選擇電機(jī)電流反饋路徑。

PWM觸發(fā)中斷是異步的；它僅在響應(yīng)硬件故障時(shí)才會(huì)調(diào)用，而且是延遲故障的唯一函數(shù)，因?yàn)橛布WM觸發(fā)函數(shù)會(huì)自動(dòng)關(guān)斷逆變器PWM信號(hào)。通信端口ISR具有較低的優(yōu)先級(jí)，處理用戶命令，并發(fā)送調(diào)試監(jiān)控器函數(shù)捕捉的數(shù)據(jù)。內(nèi)核定時(shí)器ISR管理背景應(yīng)用任務(wù)，比如電機(jī)啟動(dòng)和停止序列、調(diào)試監(jiān)控器接口以及其它管理類任務(wù)。

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

電機(jī)控制(MC)接口函數(shù)管理電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件和控制算法之間的信號(hào)數(shù)據(jù)流。此代碼專門用于控制驅(qū)動(dòng)電路以及控制為控制算法提供反饋信號(hào)的電機(jī)控制相關(guān)外設(shè)。電機(jī)控制算法是獨(dú)立于平臺(tái)的代碼，由Simulink生成，包含反饋和輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。所有其它驅(qū)動(dòng)代碼均為手動(dòng)編碼。

圖4. 代碼分隔

實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

若要發(fā)揮MBD的最大效益，理解電機(jī)控制系統(tǒng)不同部分的建模詳細(xì)要求并盡可能將關(guān)鍵物理系統(tǒng)參數(shù)與相應(yīng)模型參數(shù)相匹配很重要。這包括將已建模的系統(tǒng)分隔為不同的詳細(xì)部分?？傮w而言，以PWM平均值方式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)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(hào)，并且在電壓或電流信號(hào)中不包含PWM紋波或開(kāi)關(guān)分量。

系統(tǒng)模型分隔至邏輯模塊內(nèi)，如圖5所示(圖中顯示相關(guān)信號(hào)流)。每一個(gè)模塊再進(jìn)一步細(xì)分(如圖中右側(cè)所示)，且每一個(gè)子模塊采取適當(dāng)?shù)慕７椒?，如?中所列。表中未列出用戶命令模塊。用戶命令通過(guò)C語(yǔ)言代碼內(nèi)部的全局參數(shù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)核算法通信；一旦它們?cè)赟imulink算法中定義為全局可調(diào)參數(shù)后，便可正確處理。

圖5. 系統(tǒng)模型分隔

表1. 模型考慮因素?

除了基本設(shè)置(比如類型大小、字節(jié)順序等)，通過(guò)使自動(dòng)代碼生成變?yōu)椴会槍?duì)某個(gè)特定目標(biāo)，便可最大程度實(shí)現(xiàn)代碼便攜性和易于維護(hù)。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(shè)和驅(qū)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或外設(shè)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(shè)計(jì)示例中，代碼生成僅限控制算法，而Simulink模型包含全部外設(shè)函數(shù)模型，并在應(yīng)用項(xiàng)目中手動(dòng)編碼。此方法在圖6中強(qiáng)調(diào)；由圖可知，MathWorks控制器模型生成的代碼連接至主應(yīng)用程序項(xiàng)目的其它代碼和庫(kù)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(jī)控制算法部分生成。代碼生成的重要設(shè)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(shè)備類型)，以及在配置參數(shù)?代碼生成?接口窗口中選擇(在該窗口中選擇標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)庫(kù))。

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(tái)支持的常見(jiàn)“方言”是C89/C90和C99。最重要的是，在工具中應(yīng)當(dāng)使用相同的“方言”。例如，如果嵌
入式工作臺(tái)配置為根據(jù)C99構(gòu)建代碼，則自動(dòng)代碼生成工具必須同樣依據(jù)C99標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)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(yù)期的作用。另一個(gè)重要的因素是定點(diǎn)和浮點(diǎn)類型表示。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
型，則C“方言”的選擇就變得很重要。C89/C90不區(qū)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(yùn)行，那這樣做也許是可以接受的；但對(duì)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(qǐng)記住，應(yīng)當(dāng)確保自動(dòng)代碼生成工具以及嵌入式工作臺(tái)設(shè)置為使用C99“方言”。Simulink提供Simscape和SimMechanics等工具箱，當(dāng)物理參數(shù)已知時(shí)可用來(lái)為機(jī)電系統(tǒng)輕松建模。即使物理參數(shù)未完全特性化，預(yù)定義組件模型(比如電機(jī))可以加載大致相當(dāng)?shù)?a target="_blank">規(guī)格，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制
算法的初步設(shè)計(jì)。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(jī)控制算法的開(kāi)發(fā)。

自動(dòng)代碼接口由初始化函數(shù)調(diào)用和一個(gè)或多個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)函數(shù)調(diào)用定義，必須在主應(yīng)用程序代碼內(nèi)以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間步長(zhǎng)調(diào)用。本例中有兩個(gè)時(shí)間步進(jìn)函數(shù)——主控制算法，在10 kHz PWM速率時(shí)調(diào)用，以及速度測(cè)量函數(shù)，在1 kHz速率時(shí)調(diào)用。自動(dòng)生成的代碼模塊集成至主項(xiàng)目中，如圖8所示。

圖8. 代碼模塊組織和算法函數(shù)調(diào)用

如圖所示，代碼以模塊化方式組織，集成特定應(yīng)用函數(shù)，比如聯(lián)網(wǎng)和保護(hù)，非常直觀。高優(yōu)先級(jí)任務(wù)(比如電機(jī)控制算法)從圖3中的ISR處調(diào)用。應(yīng)用程序級(jí)任務(wù)從基本調(diào)度程序內(nèi)核處作為調(diào)度任務(wù)調(diào)用。MC接口例程包含于電機(jī)控制和測(cè)量代碼模塊中，后者包含所有電流反饋信號(hào)處理代碼。ADI電機(jī)代碼包含用于系統(tǒng)測(cè)試的調(diào)試監(jiān)視器函數(shù)，可以在電機(jī)運(yùn)行時(shí)捕捉應(yīng)用和控制算法信號(hào)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)串行鏈路傳輸至PC，以供顯示和分析。

系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試

通過(guò)測(cè)量、計(jì)算和查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)確定表1中的關(guān)鍵參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)PID調(diào)諧法[2]或MathWorks提供的調(diào)諧工具(比如PID調(diào)諧器工具)實(shí)現(xiàn)。該過(guò)程詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)3。

建模和實(shí)驗(yàn)操作的電流環(huán)路性能如圖9和圖10所示。該曲線中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅每隔5 ms采樣一次，因此存在一些混疊，但整體趨勢(shì)非常明顯。

圖9. 比較模型操作和經(jīng)驗(yàn)操作的(a)速度響應(yīng)以及(b) q軸電流參考

圖10. 電流環(huán)路性能——模型和經(jīng)驗(yàn)結(jié)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(nèi)檢查代碼執(zhí)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(diào)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(zhí)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(jī)電流將在PWM同步脈沖之后立即采樣，并直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ)(DMA)至存儲(chǔ)器，然后執(zhí)行算法，并生成PWM占空比更新值。如圖11所示，執(zhí)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。以前對(duì)于自動(dòng)生成代碼效率的擔(dān)憂將不復(fù)存在。

就代碼尺寸而言，算法自動(dòng)代碼的相對(duì)尺寸如表2所示；可以看出，自動(dòng)生成的代碼僅占據(jù)略大于10 kb的存儲(chǔ)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(chǔ)器要求，允許程序以最高速率從SRAM運(yùn)行，并提供足夠多的裕量用于更復(fù)雜的算法和其它監(jiān)控或用戶接口功能。

表2. 代碼模塊尺寸

本文所討論的軟件假設(shè)為含有兩個(gè)主要組件的系統(tǒng)。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(biāo)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)是手寫軟件組件，將通用算法代碼綁定至嵌入式目標(biāo)，處理調(diào)度并分配處理器資源。在重用模型和擴(kuò)展性方面，這種系統(tǒng)分隔有一定優(yōu)勢(shì)。

本文討論了單個(gè)電機(jī)(單軸)的控制開(kāi)發(fā)。現(xiàn)在，想象驅(qū)動(dòng)程序規(guī)格通過(guò)同一個(gè)處理器調(diào)用兩個(gè)電機(jī)(雙軸)控制。無(wú)疑，這對(duì)系統(tǒng)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(shì)也得以凸顯。已經(jīng)完成開(kāi)發(fā)的單軸模型不對(duì)處理器外設(shè)作出任何假設(shè)——它是PM電機(jī)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，手寫代碼需要修改才能支持單軸/雙軸，但假設(shè)處理器具有一組正確的外設(shè)和計(jì)算資源來(lái)控制雙軸，則手寫代碼的修改也很直觀。無(wú)論控制的是單軸或是雙軸，手寫代碼的主要任務(wù)都
是將數(shù)值分配至模型的輸入、將模型的輸出寫入處理器外設(shè)，以及調(diào)度模型的執(zhí)行時(shí)間。因此，從單軸到雙軸只不過(guò)是外設(shè)的分配/配置，并調(diào)度增加軸的算法執(zhí)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(xiàn)。

如果只開(kāi)發(fā)一個(gè)單控制系統(tǒng)，那么使用基于模型的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)有限。然而，大多數(shù)情況下，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)意味著多個(gè)產(chǎn)品變體，并且對(duì)于這些情況而言，重用模型具有很大的吸引力——不僅因?yàn)榭s短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，還由于使用受信任模型而導(dǎo)致的質(zhì)量不斷上升。隨著時(shí)間的推移，算法開(kāi)發(fā)人員將會(huì)創(chuàng)建模型庫(kù)；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(yùn)行在目前和未來(lái)的處理器上。

除了滿足產(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(yīng)用。在電流和速度控制算法的基礎(chǔ)構(gòu)建塊上可以部署位置控制算法。

在大多數(shù)應(yīng)用中，位置控制環(huán)路作為圍繞內(nèi)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(xiàng)。一般不需要積分項(xiàng)，因?yàn)槲恢铆h(huán)路中的任何穩(wěn)態(tài)誤差都會(huì)導(dǎo)致非零速度參考。若內(nèi)層電流和速度環(huán)路經(jīng)過(guò)良好調(diào)諧，則這些可以視為理想的單位增益模塊，以及調(diào)諧位置環(huán)路變?yōu)橐粋€(gè)直觀的任務(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(fù)載遵循定義的周期和加速度與減速度速率。這對(duì)于最大程度減少很多系統(tǒng)中的機(jī)械應(yīng)力而言十分重要。在本應(yīng)用示例中，恒定加速度、恒定速度和恒定減速度曲線施加到位置參考變化，如圖12所示；圖中表示位置參考、曲線位置參考以及相應(yīng)的理想速度曲線。至于哪個(gè)實(shí)際速度遵循該曲線則取決于速度控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖12. 位置參考曲線?

所有這些功能——位置環(huán)路增益、位置曲線以及輔助功能(比如回零定位和終端-停止檢測(cè))作為額外模塊部署在代碼中基于模型的部分。唯一需要的手寫代碼更改是I/O配置，以支持家庭位置和終端-停止信號(hào)。

結(jié)論

基于模型的設(shè)計(jì)是強(qiáng)大的工具，可以加速電機(jī)驅(qū)動(dòng)制造商的嵌入式開(kāi)發(fā)。如果以通用方式設(shè)置和配置，則可以大幅減輕手寫代碼開(kāi)發(fā)和維護(hù)的重?fù)?dān)。它還能加快產(chǎn)品上市時(shí)間，因?yàn)榇a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(tǒng)組件的合理精確模型。

這些特性已在PMSM驅(qū)動(dòng)器情形中得到證實(shí)，該驅(qū)動(dòng)器在擴(kuò)展至多軸和位置控制的FOC下操作。對(duì)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(xì)說(shuō)明，可以優(yōu)化基于模型的解決方案提供的數(shù)值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明了模型在優(yōu)化速度控制器參數(shù)、代碼生成緊湊性和效率方面的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

*
* Drury、Bill。《控制技術(shù)傳動(dòng)與控制手冊(cè)》。《IET電力和能源系列》，第2版，2009年。
* O’Sullivan、Dara、Jens Sorensen、Anders Frederiksen?！伴]環(huán)電機(jī)控制中基于模型的設(shè)計(jì)工具?！盤CIM Europe 2014展會(huì)；電力電子、智能運(yùn)動(dòng)、可再生能源和能源管理國(guó)際展覽會(huì)與研討會(huì)；論文集，2014年5月。

作者簡(jiǎn)介

Dara O’Sullivan是ADI公司電機(jī)與功率控制部門的一名系統(tǒng)應(yīng)用工程師。其專長(zhǎng)領(lǐng)域是交流電機(jī)控制應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換和控制。O’Sullivan擁有愛(ài)爾蘭科克大學(xué)工程學(xué)士、工程碩士和博士學(xué)位。

Jens Sorensen是ADI公司應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)工業(yè)應(yīng)用的電機(jī)控制解決方案。他的主要興趣在于控制算法、電源電子和控制處理器。Sorensen目前專注工業(yè)應(yīng)用，而在早期職業(yè)生涯中致力于開(kāi)發(fā)家用電器和汽車應(yīng)用中的電機(jī)控制和電源電子元件。

Aengus Murray是ADI公司汽車、能源和傳感器部門的電機(jī)和電源控制應(yīng)用經(jīng)理。他負(fù)責(zé)工業(yè)電機(jī)和電源控制的整個(gè)ADI信號(hào)鏈產(chǎn)品。Murray擁有愛(ài)爾蘭都柏林大學(xué)電氣工程學(xué)士和博士學(xué)位。他在功率電子行業(yè)擁有超過(guò)30年的豐富經(jīng)驗(yàn)，曾先后在Rectifier、Kollmorgen Industrial Drives和都柏林城市大學(xué)工作。