讓PIL仿真更接近實(shí)際的Simscope

Tips ：Simscape是Simulink中強(qiáng)大的物理模擬庫(kù)，它可以搭建力學(xué)、電學(xué)、磁場(chǎng)、流體等多種物理場(chǎng)景，以物理量的方式進(jìn)行仿真，可用于機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、汽車的仿真。

如果已經(jīng)在倉(cāng)庫(kù)中下載最新模型的讀者應(yīng)該能發(fā)現(xiàn)，最新的模型對(duì)FOC核心算法和算法狀態(tài)機(jī)分別都進(jìn)行了PIL測(cè)試。倉(cāng)庫(kù)中最新的模型如下圖所示：

倉(cāng)庫(kù)中最新的FOC電機(jī)控制模型 - From autoMBD

分別介紹一下上圖中這些模型的作用：

• FOC_Ctrl_CodeModel .slx
  集成式MBD開發(fā)中，用于生成模型代碼，包括狀態(tài)機(jī)和FOC核心算法使用的即為該模型。
• FOC_Ctrl_MBD .slx
  所“建”即所得的最新模型，除了算法狀態(tài)機(jī)和FOC核心算法，還包括底層驅(qū)動(dòng)、外設(shè)初始化和中斷管理等，該模型對(duì)所講的模型進(jìn)行了更新和優(yōu)化。
• FOC_PIL_Algth_model .slx & FOC_PIL_Algth_top .slx
  對(duì)FOC核心算法進(jìn)行PIL測(cè)試的model模型和top模型。
• FOC_PIL_StateMch_model .slx & FOC_PIL_StateMch_top .slx
  對(duì)電機(jī)控制狀態(tài)機(jī)進(jìn)行PIL測(cè)試的model模型和top模型。
• FOC_Sub_CoreAlgoithm .slx
  FOC核心算法，為Subsystem模型。
• FOC_Sub_StateMch .slx
  電機(jī)控制狀態(tài)機(jī)模型，為Subsystem模型，且包含了FOC核心算法。

需要注意的是， 原來(lái)的MIL （Model In the Loop） 模型被移除了 ，該模型可以用PIL測(cè)試的top模型代替，只需要將Model Reference的仿真模式修改為Normal即可，如下圖所示：

PIL和MIL的切換 - From autoMBD

兩個(gè)PIL測(cè)試的目的是不一樣的：

• FOC核心算法PIL測(cè)試
  測(cè)試FOC算法是否能正常運(yùn)行，控制性能是否滿足要求，控制參數(shù)是否合理，以及開展不同工況的測(cè)試。
• 電機(jī)控制狀態(tài)機(jī)PIL測(cè)試
  測(cè)試狀態(tài)切換是否正確，電機(jī)控制的功能和邏輯是否正確，驗(yàn)證FOC核心算法的調(diào)度是否正常，是電機(jī)控制的完整測(cè)試。

對(duì)這兩個(gè)模型分開測(cè)試是有必要的，在不同的階段檢測(cè)不同的工作，同時(shí)也將算法和功能進(jìn)行了隔離。

分別打開FOC核心算法模型和電機(jī)控制狀態(tài)機(jī)模型的PIL top 模型，可以做一個(gè)對(duì)比：

FOC算法的PIL top模型 - From autoMBD

電機(jī)控制狀態(tài)機(jī)的PIL top模型 - From autoMBD

可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)測(cè)試的電機(jī)模型是不一樣的： 前者使用的是連續(xù)、理想的逆變器和電機(jī)模型；而后者使用的是Simcope模型搭建的逆變器和電機(jī)模型。 這就是本次補(bǔ)充的重點(diǎn)， 使用Simscape模型可以更加貼近實(shí)際情況進(jìn)行PIL測(cè)試 。

那么更加貼近實(shí)際情況具體體現(xiàn)在哪里呢？我總結(jié)有以下三點(diǎn)：

1. 根據(jù)實(shí)際MOSFET電路，搭建實(shí)現(xiàn)逆變器模型

Simcope逆變器 - From autoMBD

2. 實(shí)際電路設(shè)計(jì)，搭建實(shí)現(xiàn)ADC采樣電路，采樣電阻的布置見上圖

Simscape 運(yùn)放和ADC采樣電路 - From autoMBD

3. 根據(jù)芯片外設(shè)FTM的工作原理，搭建中心對(duì)齊PWM發(fā)生器

中心對(duì)齊PWM發(fā)生器（A相） - From autoMBD

上述三點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，均根據(jù)實(shí)際的電路設(shè)計(jì)（即DEVKIT驅(qū)動(dòng)板PCB原理圖）和芯片外設(shè)（FTM，F(xiàn)lexTimer Module）的工作原理進(jìn)行搭建的，保證了最大限度的和實(shí)際情況一致，可以提高PIL的參考價(jià)值：此時(shí)的PIL除了底層驅(qū)動(dòng)以外，其他所有的部分，包括狀態(tài)機(jī)、FOC算法和電路硬件，都進(jìn)行了驗(yàn)證和測(cè)試。

Tips ：DEVKIT驅(qū)動(dòng)板PCB原理圖和S32K3手冊(cè)均能在autoMBD的資源庫(kù)中找到，私信回復(fù)關(guān)鍵詞“ 資源 ”即可收到鏈接信息。

使用Simscape搭建硬件電路的模型，這樣做是有意義的。在以前的文章中提到過，我追求的是盡可能減小****MBD的模型和代碼之間的溝壑 ，Simscape至少能實(shí)現(xiàn)一部分。

把格局再打開一下，如果利用第三方軟件與Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真環(huán)境會(huì)進(jìn)一步逼近實(shí)際情況。

這種聯(lián)合仿真有著廣泛的實(shí)際案例，很多開發(fā)車道線保持、自適應(yīng)巡航算法的工程師，首先會(huì)在電腦的虛擬環(huán)境中搭建汽車模型和道路模型（甚至還可以包括行人、路燈），然后通過Simulink聯(lián)合仿真來(lái)驗(yàn)證算法。還有其他諸如機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等場(chǎng)景。

這些實(shí)際場(chǎng)景中， 只需要搭建好算法和狀態(tài)機(jī)，都能能實(shí)現(xiàn)PIL測(cè)試，從而同時(shí)或分別驗(yàn)證軟件邏輯、功能、算法和電路硬件 。

上述的驗(yàn)證過程，如果 把復(fù)雜的受控對(duì)象放在實(shí)時(shí)機(jī)中運(yùn)算 ，而不是在電腦中，這個(gè)過程就變成了HIL（Hardware In the Loop）。PIL和HIL相比，就是缺少了實(shí)時(shí)性。

雖然PIL不是實(shí)時(shí)運(yùn)算，但實(shí)時(shí)性的驗(yàn)證可以通過PIL的軟件運(yùn)算耗時(shí)來(lái)評(píng)估，這一點(diǎn)在PIL是可以實(shí)現(xiàn)的。這樣就可以最大限度的降低成本（通常實(shí)時(shí)仿真機(jī)價(jià)格幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)不等），同時(shí)提高驗(yàn)證的可信度，最大限度挖掘PIL的作用。

還需要提的一點(diǎn)是，為了保證PWM的分辨率，算法狀態(tài)機(jī)的PIL測(cè)試，其步長(zhǎng)設(shè)置為：

Ts_simscape = 1/40000000