基于模型設(shè)計在機電系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

王海濱+閆鵬程+武濤+歐棟杰

摘 要 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，控制算法越來越復雜，控制算法的自動驗證和代碼自動生成已經(jīng)成為趨勢。傳統(tǒng)的電機控制算法開發(fā)是系統(tǒng)仿真，編寫代碼，最后測試。采用傳統(tǒng)手工編程的方式去編寫復雜的控制算法，對于初學者來說難度非常大。對于算法設(shè)計人員來說，需要一種方法能夠解決以上問題。

關(guān)鍵詞 基于模型的設(shè)計；Embedded Coder；磁場定向算法；永磁同步電機；PIL

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0053-01

Matlab提供的基于模型設(shè)計平臺（Model Based Design，MBD），可以實現(xiàn)從需求分析到代碼驗證的整個開發(fā)過程，用戶可以建立系統(tǒng)級模型的仿真驗證，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，自動生成高效的目標器件專用代碼。利用Matlab提供的開發(fā)環(huán)境，用戶可以開發(fā)和驗證控制算法，成功的完成從算法的設(shè)計驗證到自動生成代碼過程。

1 電機控制系統(tǒng)開發(fā)流程

在開發(fā)中，首先是通過文本需求建立可執(zhí)行文檔，在這一部分中，主要是建模，通過建模可以避免傳統(tǒng)文本的弊端，通過可視化和可執(zhí)行化的模型避免文本需求的歧義和冗余。建模之后，為生成符合相關(guān)安全標準的代碼，需要對模型進行建模規(guī)范檢查，使用Simulink V&V工具集可自動完成這一流程。為驗證算法的正確性，模型檢查通過后，Matlab提供的System Test（系統(tǒng)測試）與Simulink DesignVerifier（設(shè)計驗證器）工具可以完成對控制系統(tǒng)的測試。模型測試后，使用Embedded coder工具生成嵌入式代碼，通過編譯連接生成目標代碼，下載到處理器中做代碼的等效性測試，如處理器在環(huán)測試（PIL）等。通過這完整的流程，從文本需求到系統(tǒng)測試提供了一個統(tǒng)一的平臺，方便開發(fā)人員交流，極大的提高了開發(fā)的效率。

2 建模規(guī)范檢查與測試

模型出來并且可以編譯之后，首先要做建模標準檢查，這個過程使用工具Simulink Verification&Validation工具集提供的model advisor自動化的完成。Model Advisor可以理解模型的靜態(tài)檢查，用來驗證模型是否正確的搭建出來。這是建模檢查的第一步，對建立的模型進Model Advisor檢查，這在設(shè)計初期非常重要，用戶通過檢查，能夠找出模型中與建模標準或者安全標準不相符合的部分，對模型中隱含的問題給予警告，并且指導用戶修改，是代碼生成前重要的工作。Model Advisor提供了常見的建模標準和安全標準供用戶選擇，同時通過API接口，用戶可以建立自己公司的建模標準。

3 處理器在環(huán)測試

圖1 PIL工作流程圖

處理器在環(huán)測試是在Simulink中搭建被控對象的模型，而將控制器算法代碼下載到目標處理器中去執(zhí)行，通過串口或者網(wǎng)絡(luò)接口通信，對處理器和Simulink進行實時數(shù)據(jù)交換，這種硬件在環(huán)實時仿真技術(shù)可以反映控制器的實際工作情況，得到算法的執(zhí)行時間，便于及早的發(fā)現(xiàn)錯誤。其工作原理如圖1所示。

PIL環(huán)節(jié)是基于模型設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，因為系統(tǒng)控制系統(tǒng)模型的仿真只能驗證算法的正確性，但是由于算法對處理器性能要求很高，算法的執(zhí)行時間直接關(guān)系到整個控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定。在電機控制系統(tǒng)中，如果FOC算法的執(zhí)行算法的時間大于PWM的周期，則會導致整個系統(tǒng)無法工作。

對于處理器在環(huán)測試設(shè)置比較復雜，所以為能夠完成自動化的測試，本文建立自動化的測試程序如下：

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為系統(tǒng)仿真的模型，通過上述程序既可以自動進行PIL測試。用戶運行profile（IDE_Obj，execution，report）即可以生成代碼實時運行的結(jié)果如圖2所示。

圖2 PIL仿真結(jié)果圖

4 總結(jié)

基于模型的設(shè)計優(yōu)勢在于算法的早期驗證，使得開發(fā)者可以將主要精力放在算法開發(fā)上，代碼則由Matlab自動生成，很好的提高工作效率。在實際的開發(fā)中，將算法生成為函數(shù)進行調(diào)用，一般底層驅(qū)動和控制流程使用匯編語言或者C手工編寫。如果通過Matlab對底層驅(qū)動建模則十分復雜，得不償失，控制流程開發(fā)也沒有C語言靈活。

參考文獻

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

[2]The MathWorks，Inc.Embedded coder6 Geting Started Guide，April 2011.

[3]The MathWorks，Inc.Embedded coder 6 Users Guide，April 2011.

[4]The MathWorks，Inc.Stateflow 7 Geting Started Guide，April 2011.

作者簡介

王海濱（1988-），安徽蚌埠人，安徽理工大學在讀碩士研究生，研究方向：電力電子與電力拖動。endprint

摘 要 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，控制算法越來越復雜，控制算法的自動驗證和代碼自動生成已經(jīng)成為趨勢。傳統(tǒng)的電機控制算法開發(fā)是系統(tǒng)仿真，編寫代碼，最后測試。采用傳統(tǒng)手工編程的方式去編寫復雜的控制算法，對于初學者來說難度非常大。對于算法設(shè)計人員來說，需要一種方法能夠解決以上問題。

關(guān)鍵詞 基于模型的設(shè)計；Embedded Coder；磁場定向算法；永磁同步電機；PIL

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0053-01

Matlab提供的基于模型設(shè)計平臺（Model Based Design，MBD），可以實現(xiàn)從需求分析到代碼驗證的整個開發(fā)過程，用戶可以建立系統(tǒng)級模型的仿真驗證，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，自動生成高效的目標器件專用代碼。利用Matlab提供的開發(fā)環(huán)境，用戶可以開發(fā)和驗證控制算法，成功的完成從算法的設(shè)計驗證到自動生成代碼過程。

1 電機控制系統(tǒng)開發(fā)流程

在開發(fā)中，首先是通過文本需求建立可執(zhí)行文檔，在這一部分中，主要是建模，通過建模可以避免傳統(tǒng)文本的弊端，通過可視化和可執(zhí)行化的模型避免文本需求的歧義和冗余。建模之后，為生成符合相關(guān)安全標準的代碼，需要對模型進行建模規(guī)范檢查，使用Simulink V&V工具集可自動完成這一流程。為驗證算法的正確性，模型檢查通過后，Matlab提供的System Test（系統(tǒng)測試）與Simulink DesignVerifier（設(shè)計驗證器）工具可以完成對控制系統(tǒng)的測試。模型測試后，使用Embedded coder工具生成嵌入式代碼，通過編譯連接生成目標代碼，下載到處理器中做代碼的等效性測試，如處理器在環(huán)測試（PIL）等。通過這完整的流程，從文本需求到系統(tǒng)測試提供了一個統(tǒng)一的平臺，方便開發(fā)人員交流，極大的提高了開發(fā)的效率。

2 建模規(guī)范檢查與測試

模型出來并且可以編譯之后，首先要做建模標準檢查，這個過程使用工具Simulink Verification&Validation工具集提供的model advisor自動化的完成。Model Advisor可以理解模型的靜態(tài)檢查，用來驗證模型是否正確的搭建出來。這是建模檢查的第一步，對建立的模型進Model Advisor檢查，這在設(shè)計初期非常重要，用戶通過檢查，能夠找出模型中與建模標準或者安全標準不相符合的部分，對模型中隱含的問題給予警告，并且指導用戶修改，是代碼生成前重要的工作。Model Advisor提供了常見的建模標準和安全標準供用戶選擇，同時通過API接口，用戶可以建立自己公司的建模標準。

3 處理器在環(huán)測試

圖1 PIL工作流程圖

處理器在環(huán)測試是在Simulink中搭建被控對象的模型，而將控制器算法代碼下載到目標處理器中去執(zhí)行，通過串口或者網(wǎng)絡(luò)接口通信，對處理器和Simulink進行實時數(shù)據(jù)交換，這種硬件在環(huán)實時仿真技術(shù)可以反映控制器的實際工作情況，得到算法的執(zhí)行時間，便于及早的發(fā)現(xiàn)錯誤。其工作原理如圖1所示。

PIL環(huán)節(jié)是基于模型設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，因為系統(tǒng)控制系統(tǒng)模型的仿真只能驗證算法的正確性，但是由于算法對處理器性能要求很高，算法的執(zhí)行時間直接關(guān)系到整個控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定。在電機控制系統(tǒng)中，如果FOC算法的執(zhí)行算法的時間大于PWM的周期，則會導致整個系統(tǒng)無法工作。

對于處理器在環(huán)測試設(shè)置比較復雜，所以為能夠完成自動化的測試，本文建立自動化的測試程序如下：

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為系統(tǒng)仿真的模型，通過上述程序既可以自動進行PIL測試。用戶運行profile（IDE_Obj，execution，report）即可以生成代碼實時運行的結(jié)果如圖2所示。

圖2 PIL仿真結(jié)果圖

4 總結(jié)

基于模型的設(shè)計優(yōu)勢在于算法的早期驗證，使得開發(fā)者可以將主要精力放在算法開發(fā)上，代碼則由Matlab自動生成，很好的提高工作效率。在實際的開發(fā)中，將算法生成為函數(shù)進行調(diào)用，一般底層驅(qū)動和控制流程使用匯編語言或者C手工編寫。如果通過Matlab對底層驅(qū)動建模則十分復雜，得不償失，控制流程開發(fā)也沒有C語言靈活。

參考文獻

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

[2]The MathWorks，Inc.Embedded coder6 Geting Started Guide，April 2011.

[3]The MathWorks，Inc.Embedded coder 6 Users Guide，April 2011.

[4]The MathWorks，Inc.Stateflow 7 Geting Started Guide，April 2011.

作者簡介

王海濱（1988-），安徽蚌埠人，安徽理工大學在讀碩士研究生，研究方向：電力電子與電力拖動。endprint

摘 要 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，控制算法越來越復雜，控制算法的自動驗證和代碼自動生成已經(jīng)成為趨勢。傳統(tǒng)的電機控制算法開發(fā)是系統(tǒng)仿真，編寫代碼，最后測試。采用傳統(tǒng)手工編程的方式去編寫復雜的控制算法，對于初學者來說難度非常大。對于算法設(shè)計人員來說，需要一種方法能夠解決以上問題。

關(guān)鍵詞 基于模型的設(shè)計；Embedded Coder；磁場定向算法；永磁同步電機；PIL

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0053-01

Matlab提供的基于模型設(shè)計平臺（Model Based Design，MBD），可以實現(xiàn)從需求分析到代碼驗證的整個開發(fā)過程，用戶可以建立系統(tǒng)級模型的仿真驗證，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，自動生成高效的目標器件專用代碼。利用Matlab提供的開發(fā)環(huán)境，用戶可以開發(fā)和驗證控制算法，成功的完成從算法的設(shè)計驗證到自動生成代碼過程。

1 電機控制系統(tǒng)開發(fā)流程

在開發(fā)中，首先是通過文本需求建立可執(zhí)行文檔，在這一部分中，主要是建模，通過建模可以避免傳統(tǒng)文本的弊端，通過可視化和可執(zhí)行化的模型避免文本需求的歧義和冗余。建模之后，為生成符合相關(guān)安全標準的代碼，需要對模型進行建模規(guī)范檢查，使用Simulink V&V工具集可自動完成這一流程。為驗證算法的正確性，模型檢查通過后，Matlab提供的System Test（系統(tǒng)測試）與Simulink DesignVerifier（設(shè)計驗證器）工具可以完成對控制系統(tǒng)的測試。模型測試后，使用Embedded coder工具生成嵌入式代碼，通過編譯連接生成目標代碼，下載到處理器中做代碼的等效性測試，如處理器在環(huán)測試（PIL）等。通過這完整的流程，從文本需求到系統(tǒng)測試提供了一個統(tǒng)一的平臺，方便開發(fā)人員交流，極大的提高了開發(fā)的效率。

2 建模規(guī)范檢查與測試

模型出來并且可以編譯之后，首先要做建模標準檢查，這個過程使用工具Simulink Verification&Validation工具集提供的model advisor自動化的完成。Model Advisor可以理解模型的靜態(tài)檢查，用來驗證模型是否正確的搭建出來。這是建模檢查的第一步，對建立的模型進Model Advisor檢查，這在設(shè)計初期非常重要，用戶通過檢查，能夠找出模型中與建模標準或者安全標準不相符合的部分，對模型中隱含的問題給予警告，并且指導用戶修改，是代碼生成前重要的工作。Model Advisor提供了常見的建模標準和安全標準供用戶選擇，同時通過API接口，用戶可以建立自己公司的建模標準。

3 處理器在環(huán)測試

圖1 PIL工作流程圖

處理器在環(huán)測試是在Simulink中搭建被控對象的模型，而將控制器算法代碼下載到目標處理器中去執(zhí)行，通過串口或者網(wǎng)絡(luò)接口通信，對處理器和Simulink進行實時數(shù)據(jù)交換，這種硬件在環(huán)實時仿真技術(shù)可以反映控制器的實際工作情況，得到算法的執(zhí)行時間，便于及早的發(fā)現(xiàn)錯誤。其工作原理如圖1所示。

PIL環(huán)節(jié)是基于模型設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，因為系統(tǒng)控制系統(tǒng)模型的仿真只能驗證算法的正確性，但是由于算法對處理器性能要求很高，算法的執(zhí)行時間直接關(guān)系到整個控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定。在電機控制系統(tǒng)中，如果FOC算法的執(zhí)行算法的時間大于PWM的周期，則會導致整個系統(tǒng)無法工作。

對于處理器在環(huán)測試設(shè)置比較復雜，所以為能夠完成自動化的測試，本文建立自動化的測試程序如下：

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為系統(tǒng)仿真的模型，通過上述程序既可以自動進行PIL測試。用戶運行profile（IDE_Obj，execution，report）即可以生成代碼實時運行的結(jié)果如圖2所示。

圖2 PIL仿真結(jié)果圖

4 總結(jié)

基于模型的設(shè)計優(yōu)勢在于算法的早期驗證，使得開發(fā)者可以將主要精力放在算法開發(fā)上，代碼則由Matlab自動生成，很好的提高工作效率。在實際的開發(fā)中，將算法生成為函數(shù)進行調(diào)用，一般底層驅(qū)動和控制流程使用匯編語言或者C手工編寫。如果通過Matlab對底層驅(qū)動建模則十分復雜，得不償失，控制流程開發(fā)也沒有C語言靈活。

參考文獻

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

[2]The MathWorks，Inc.Embedded coder6 Geting Started Guide，April 2011.

[3]The MathWorks，Inc.Embedded coder 6 Users Guide，April 2011.

[4]The MathWorks，Inc.Stateflow 7 Geting Started Guide，April 2011.

作者簡介

王海濱（1988-），安徽蚌埠人，安徽理工大學在讀碩士研究生，研究方向：電力電子與電力拖動。endprint