基于模型的無刷電機控制代碼快速生成

周宇博，劉杰

（福州大學 物理與信息工程學院，福州 350003）

引 言

隨著軟硬件技術的不斷發展，以及用戶對產品安全性，可靠性的要求，嵌入式應用的開發難度與代碼體積都在迅速增加，傳統的基于文本的開發方式已經越來越難以滿足這種高性能與快節奏研發的要求。

基于模型的設計方法利用Mathworks提供的一系列工具，可直接實現從設計理念到算法模型，再由模型自動生成嵌入式代碼的高效開發流程。對于本例來說，在LPC2124芯片上實現無刷電機控制（BLDC），設計者無需考慮如何將電機狀態的變換用C或匯編語言體現，僅需關注算法本身，將繁瑣的代碼生成工作交給計算機完成。這樣可以大大縮短產品開發周期，顯著提高工作效率。

1 原理分析

直流無刷電機的工作離不開電子開關電路，因此由電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關電路3部分組成了直流無刷電機的控制系統，其結構框圖如圖1所示。直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測轉子所處的位置，并根據位置信號來控制開關管的導通和截止，從而自動地控制哪些繞組通電、哪些繞組斷電，實現了電子換相。

圖1 無刷電機控制系統結構框圖

下面以一個三相繞組的無刷電機為例，簡要介紹其工作原理。圖2為三相全橋式驅動電路原理圖，對其采用二相通電的方式驅動，即有兩個繞阻同時通電。圖中包含6個晶體管、二極管組成的三相逆變電路，Ha、Hb、Hc為霍爾元件反饋的轉子位置信號。控制電路會根據位置信號決定6路PWM信號的通斷，進而使功率管導通或關斷，使繞阻按一定順序導通，驅動電機連續旋轉。

當采用二相導通方式驅動電機時，功率管的導通或關斷情況經過1／6周期（即60°）。在直流無刷電機的內部嵌有3個霍爾位置傳感器，它們在空間上相差120°。由于電機的轉子是永磁體，當它在轉動的時候，其磁場將發生變化形成旋轉磁場，每個霍爾傳感器都會產生180°脈寬的輸出信號。

圖2 三相全橋式驅動電路原理圖

假設當前功率管V1、V6導通，則電流從A相流入電機，從C相流出電機，由電流經繞阻產生的磁場方向為（A，－C）。由A和－C的合磁場產生的轉矩使轉子轉動到AC位置。轉子的轉動使霍爾傳感器的輸出發生變化，控制電路會據此調整功率管的導通情況，將V6關斷，V5導通。這時，電流從A相流入電機，從B相流出電機，經繞阻產生的磁場方向為（A，－B）。由A和－B的合磁場產生的轉矩使轉子轉動到AB位置。同樣，霍爾器件又會輸出一個不同的值，控制電路作出相應的處理，完成一個完整的換相周期。

2 模型搭建

根據上述原理簡介可知，無刷電機由一組PWM信號驅動。PWM信號按霍爾元件傳送的位置信號決定其通斷狀態，以驅動電機連續旋轉；而PWM信號占空比可用于調節電機轉速。在Stateflow中創建狀態圖，模型共設置PWM1～6六路PWM信號，并以按鍵key的值控制電機的開關，由此可得無刷電機的狀態圖，如圖3所示。

圖3 無刷電機狀態圖

MotorOff子狀態中，將6路PWM信號的占空比調至0，以達到關閉電機的作用，如圖4所示。

圖4 MotorOff子狀態

MotorOn子狀態與MotorOff子狀態基本類似，不同之處在于：模型接收霍爾元件傳送回的電機轉子位置信號，并以此判斷PWM信號的通斷。當霍爾元件返回值為1時，第2、6路PWM信號導通；值為2時，第3、4路PWM信號導通；值為3時，第2、4路PWM信號導通；值為4時，第1、5路PWM信號導通；值為5時，第1、6路PWM信號導通；值為6時，第3、5路PWM信號導通。

Stateflow狀態圖中的變量pinsel0、pinsel1、io0dir為芯片設置位，pwmmr0～pwmmr6聯合控制PWM輸出，sensor表示霍爾器件的值，key控制電機是否工作，變量speed用于接收外部的控制信號（例如電位器和ADC），調節PWM占空比，實現電機調速。

完成Stateflow狀態圖之后，再配合Simulink中的庫模塊即可完成如圖5所示的算法模型。當key＝1，電機處于打開狀態時，若霍爾傳感器狀態為1，則第2和第6路PWM信號導通，輸出512。信號占空比是由pwmmr0～pwmmr6聯合控制的，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，這證明算法模型達到了預期目的。

圖5 算法模型

3 代碼快速生成

RTW生成實時代碼的過程大致可分為成4個階段：

①用戶在 MATLAB／Simulink／Stateflow建立算法模型。

②TLC目標語言編譯器讀取.rtw文件中的信息，將模型轉化成源代碼。

③生成指定目標的代碼。

④連接開發目標程序所需的環境。

由上述過程可知，需要對模型作部分修改。圖5所示模型中，設計者需要將各個信號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留數據接口。在模型配置頁面中需要將硬件類型指定為ARM compatible，求解器設置為離散型，RTW中的模板文件設置為ert.tlc。

完成上述設置后，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。如果計算機上已經安裝了TASKING IE FOR ARM軟件，并與MATLAB平臺正確關聯后，系統會自動生成工程，并編譯生成可執行文件，非常快捷方便。未安裝該軟件的用戶可用自己熟悉的IDE自行創建工程并加入自動生成的C代碼，之后對ert＿main.c文件的代碼作部分修改（有注釋的部分為修改內容）：

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

4 虛擬硬件測試

在Proteus7.7平臺下，可以方便地對設計進行虛擬硬件測試。根據前述原理簡介，不難搭建如圖6所示的Proteus硬件原理圖。左側的按鍵控制電機的運行／停止，電位器與ADC控制電機轉速；中部為三相電橋，分別與電機的三相相連；下方是由3個IR2112構成的放大電路；上方為示波器。

在LPC2124芯片中加載編譯生成的hex文件進行測試，即可正確實現對電機的控制。

結 語

圖6 Proteus硬件原理圖

基于模型設計為設計者提供了一個通用的開發與測試平臺，可將算法模型自動轉換為嵌入式C代碼，大大降低嵌入式系統開發的門檻，設計者可輕松生成優化的自定義C代碼，縮短了開發周期，避免了過多的人為錯誤。

在開發過程的各個環節都進行不斷的測試，與傳統方法相比，測試得更為徹底，并且在后期更進行了Proteus虛擬硬件測試，進一步確保了設計的可靠性。

這種由概念到實現的開發方式在國外已經有廣泛應用，本文也對其優勢有所論述，相信該方法在國內會受到越來越多的青睞。

［1］劉杰.基于模型的設計及其嵌入式實現［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

［2］The MathWorks，Inc.Simulink for Simulation and Model－Based Design，2011.

［3］The MathWorks，Inc.Embedded Coder 6Getting Started Guide，2011.

［4］The MathWorks，Inc.Embedded Coder 6User's Guide，2011.

［5］The MathWorks，Inc.Stateflow 7 Getting Started Guide，2011.

［6］The MathWorks，Inc.Stateflow 7 User's Guide，2011.

［7］風標電子.http：／／www.windway.cn.

［8］The Labcenter Electronics，Inc.Intelligent Schematic Input System User Manual Issue 6.0，2002.