基于模型设计在机电系统开发中的应用

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

中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0053-01

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 DesignVerifier（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：

set_param（'model'，'ProdHWDeviceType'，'TexasInstruments->C2000'，'TemplateMakefile'， 'ec_target.tmf'， 'GenCodeOnly'， 'off'，...

'SimulationMode'，'processor-in-the-loop （pil）'）

set_param（'model'，'CodeExecutionProfiling'， 'on'，...'CodeExecutionProfileVariable'，'executionProfile'，...

'CodeProfilingSaveOptions'，'AllData'）；

save_system（'sensorless_foc.slx'）

if exist（'slprj'，'dir'）， rmdir（'slprj'，'s'）； end

sim（'model'）

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

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.

作者简介

王海滨（1988-），安徽蚌埠人，安徽理工大学在读硕士研究生，研究方向：电力电子与电力拖动。