基于模型設(shè)計(jì)在機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)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(lái)越復(fù)雜，控制算法的自動(dòng)驗(yàn)證和代碼自動(dòng)生成已經(jīng)成為趨勢(shì)。傳統(tǒng)的電機(jī)控制算法開(kāi)發(fā)是系統(tǒng)仿真，編寫(xiě)代碼，最后測(cè)試。采用傳統(tǒng)手工編程的方式去編寫(xiě)復(fù)雜的控制算法，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)難度非常大。對(duì)于算法設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，需要一種方法能夠解決以上問(wèn)題。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）05-0053-01

Matlab提供的基于模型設(shè)計(jì)平臺(tái)（Model Based Design，MBD），可以實(shí)現(xiàn)從需求分析到代碼驗(yàn)證的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程，用戶(hù)可以建立系統(tǒng)級(jí)模型的仿真驗(yàn)證，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，自動(dòng)生成高效的目標(biāo)器件專(zhuān)用代碼。利用Matlab提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶(hù)可以開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證控制算法，成功的完成從算法的設(shè)計(jì)驗(yàn)證到自動(dòng)生成代碼過(guò)程。

1 電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

在開(kāi)發(fā)中，首先是通過(guò)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(guò)建模可以避免傳統(tǒng)文本的弊端，通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)的代碼，需要對(duì)模型進(jìn)行建模規(guī)范檢查，使用Simulink V&V工具集可自動(dòng)完成這一流程。為驗(yàn)證算法的正確性，模型檢查通過(guò)后，Matlab提供的System Test（系統(tǒng)測(cè)試）與Simulink DesignVerifier（設(shè)計(jì)驗(yàn)證器）工具可以完成對(duì)控制系統(tǒng)的測(cè)試。模型測(cè)試后，使用Embedded coder工具生成嵌入式代碼，通過(guò)編譯連接生成目標(biāo)代碼，下載到處理器中做代碼的等效性測(cè)試，如處理器在環(huán)測(cè)試（PIL）等。通過(guò)這完整的流程，從文本需求到系統(tǒng)測(cè)試提供了一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，方便開(kāi)發(fā)人員交流，極大的提高了開(kāi)發(fā)的效率。

2 建模規(guī)范檢查與測(cè)試

模型出來(lái)并且可以編譯之后，首先要做建模標(biāo)準(zhǔn)檢查，這個(gè)過(guò)程使用工具Simulink Verification&Validation工具集提供的model advisor自動(dòng)化的完成。Model Advisor可以理解模型的靜態(tài)檢查，用來(lái)驗(yàn)證模型是否正確的搭建出來(lái)。這是建模檢查的第一步，對(duì)建立的模型進(jìn)Model Advisor檢查，這在設(shè)計(jì)初期非常重要，用戶(hù)通過(guò)檢查，能夠找出模型中與建模標(biāo)準(zhǔn)或者安全標(biāo)準(zhǔn)不相符合的部分，對(duì)模型中隱含的問(wèn)題給予警告，并且指導(dǎo)用戶(hù)修改，是代碼生成前重要的工作。Model Advisor提供了常見(jiàn)的建模標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)供用戶(hù)選擇，同時(shí)通過(guò)API接口，用戶(hù)可以建立自己公司的建模標(biāo)準(zhǔn)。

3 處理器在環(huán)測(cè)試

圖1 PIL工作流程圖

處理器在環(huán)測(cè)試是在Simulink中搭建被控對(duì)象的模型，而將控制器算法代碼下載到目標(biāo)處理器中去執(zhí)行，通過(guò)串口或者網(wǎng)絡(luò)接口通信，對(duì)處理器和Simulink進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，這種硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)可以反映控制器的實(shí)際工作情況，得到算法的執(zhí)行時(shí)間，便于及早的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。其工作原理如圖1所示。

PIL環(huán)節(jié)是基于模型設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)橄到y(tǒng)控制系統(tǒng)模型的仿真只能驗(yàn)證算法的正確性，但是由于算法對(duì)處理器性能要求很高，算法的執(zhí)行時(shí)間直接關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，如果FOC算法的執(zhí)行算法的時(shí)間大于PWM的周期，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作。

對(duì)于處理器在環(huán)測(cè)試設(shè)置比較復(fù)雜，所以為能夠完成自動(dòng)化的測(cè)試，本文建立自動(dòng)化的測(cè)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(guò)上述程序既可以自動(dòng)進(jìn)行PIL測(cè)試。用戶(hù)運(yùn)行profile（IDE_Obj，execution，report）即可以生成代碼實(shí)時(shí)運(yùn)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(jì)優(yōu)勢(shì)在于算法的早期驗(yàn)證，使得開(kāi)發(fā)者可以將主要精力放在算法開(kāi)發(fā)上，代碼則由Matlab自動(dòng)生成，很好的提高工作效率。在實(shí)際的開(kāi)發(fā)中，將算法生成為函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，一般底層驅(qū)動(dòng)和控制流程使用匯編語(yǔ)言或者C手工編寫(xiě)。如果通過(guò)Matlab對(duì)底層驅(qū)動(dòng)建模則十分復(fù)雜，得不償失，控制流程開(kāi)發(fā)也沒(méi)有C語(yǔ)言靈活。

參考文獻(xiàn)

[1]劉杰.基于模型的設(shè)計(jì)及其嵌入式實(shí)現(xiàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)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(jiǎn)介

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

摘 要 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，控制算法越來(lái)越復(fù)雜，控制算法的自動(dòng)驗(yàn)證和代碼自動(dòng)生成已經(jīng)成為趨勢(shì)。傳統(tǒng)的電機(jī)控制算法開(kāi)發(fā)是系統(tǒng)仿真，編寫(xiě)代碼，最后測(cè)試。采用傳統(tǒng)手工編程的方式去編寫(xiě)復(fù)雜的控制算法，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)難度非常大。對(duì)于算法設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，需要一種方法能夠解決以上問(wèn)題。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）05-0053-01

Matlab提供的基于模型設(shè)計(jì)平臺(tái)（Model Based Design，MBD），可以實(shí)現(xiàn)從需求分析到代碼驗(yàn)證的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程，用戶(hù)可以建立系統(tǒng)級(jí)模型的仿真驗(yàn)證，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，自動(dòng)生成高效的目標(biāo)器件專(zhuān)用代碼。利用Matlab提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶(hù)可以開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證控制算法，成功的完成從算法的設(shè)計(jì)驗(yàn)證到自動(dòng)生成代碼過(guò)程。

1 電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

在開(kāi)發(fā)中，首先是通過(guò)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(guò)建模可以避免傳統(tǒng)文本的弊端，通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)的代碼，需要對(duì)模型進(jìn)行建模規(guī)范檢查，使用Simulink V&V工具集可自動(dòng)完成這一流程。為驗(yàn)證算法的正確性，模型檢查通過(guò)后，Matlab提供的System Test（系統(tǒng)測(cè)試）與Simulink DesignVerifier（設(shè)計(jì)驗(yàn)證器）工具可以完成對(duì)控制系統(tǒng)的測(cè)試。模型測(cè)試后，使用Embedded coder工具生成嵌入式代碼，通過(guò)編譯連接生成目標(biāo)代碼，下載到處理器中做代碼的等效性測(cè)試，如處理器在環(huán)測(cè)試（PIL）等。通過(guò)這完整的流程，從文本需求到系統(tǒng)測(cè)試提供了一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，方便開(kāi)發(fā)人員交流，極大的提高了開(kāi)發(fā)的效率。

2 建模規(guī)范檢查與測(cè)試

模型出來(lái)并且可以編譯之后，首先要做建模標(biāo)準(zhǔn)檢查，這個(gè)過(guò)程使用工具Simulink Verification&Validation工具集提供的model advisor自動(dòng)化的完成。Model Advisor可以理解模型的靜態(tài)檢查，用來(lái)驗(yàn)證模型是否正確的搭建出來(lái)。這是建模檢查的第一步，對(duì)建立的模型進(jìn)Model Advisor檢查，這在設(shè)計(jì)初期非常重要，用戶(hù)通過(guò)檢查，能夠找出模型中與建模標(biāo)準(zhǔn)或者安全標(biāo)準(zhǔn)不相符合的部分，對(duì)模型中隱含的問(wèn)題給予警告，并且指導(dǎo)用戶(hù)修改，是代碼生成前重要的工作。Model Advisor提供了常見(jiàn)的建模標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)供用戶(hù)選擇，同時(shí)通過(guò)API接口，用戶(hù)可以建立自己公司的建模標(biāo)準(zhǔn)。

3 處理器在環(huán)測(cè)試

圖1 PIL工作流程圖

處理器在環(huán)測(cè)試是在Simulink中搭建被控對(duì)象的模型，而將控制器算法代碼下載到目標(biāo)處理器中去執(zhí)行，通過(guò)串口或者網(wǎng)絡(luò)接口通信，對(duì)處理器和Simulink進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，這種硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)可以反映控制器的實(shí)際工作情況，得到算法的執(zhí)行時(shí)間，便于及早的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。其工作原理如圖1所示。

PIL環(huán)節(jié)是基于模型設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)橄到y(tǒng)控制系統(tǒng)模型的仿真只能驗(yàn)證算法的正確性，但是由于算法對(duì)處理器性能要求很高，算法的執(zhí)行時(shí)間直接關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，如果FOC算法的執(zhí)行算法的時(shí)間大于PWM的周期，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作。

對(duì)于處理器在環(huán)測(cè)試設(shè)置比較復(fù)雜，所以為能夠完成自動(dòng)化的測(cè)試，本文建立自動(dòng)化的測(cè)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(guò)上述程序既可以自動(dòng)進(jìn)行PIL測(cè)試。用戶(hù)運(yùn)行profile（IDE_Obj，execution，report）即可以生成代碼實(shí)時(shí)運(yùn)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(jì)優(yōu)勢(shì)在于算法的早期驗(yàn)證，使得開(kāi)發(fā)者可以將主要精力放在算法開(kāi)發(fā)上，代碼則由Matlab自動(dòng)生成，很好的提高工作效率。在實(shí)際的開(kāi)發(fā)中，將算法生成為函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，一般底層驅(qū)動(dòng)和控制流程使用匯編語(yǔ)言或者C手工編寫(xiě)。如果通過(guò)Matlab對(duì)底層驅(qū)動(dòng)建模則十分復(fù)雜，得不償失，控制流程開(kāi)發(fā)也沒(méi)有C語(yǔ)言靈活。

參考文獻(xiàn)

[1]劉杰.基于模型的設(shè)計(jì)及其嵌入式實(shí)現(xiàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)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(jiǎn)介

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

摘 要 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，控制算法越來(lái)越復(fù)雜，控制算法的自動(dòng)驗(yàn)證和代碼自動(dòng)生成已經(jīng)成為趨勢(shì)。傳統(tǒng)的電機(jī)控制算法開(kāi)發(fā)是系統(tǒng)仿真，編寫(xiě)代碼，最后測(cè)試。采用傳統(tǒng)手工編程的方式去編寫(xiě)復(fù)雜的控制算法，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)難度非常大。對(duì)于算法設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，需要一種方法能夠解決以上問(wèn)題。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）05-0053-01

Matlab提供的基于模型設(shè)計(jì)平臺(tái)（Model Based Design，MBD），可以實(shí)現(xiàn)從需求分析到代碼驗(yàn)證的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程，用戶(hù)可以建立系統(tǒng)級(jí)模型的仿真驗(yàn)證，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，自動(dòng)生成高效的目標(biāo)器件專(zhuān)用代碼。利用Matlab提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶(hù)可以開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證控制算法，成功的完成從算法的設(shè)計(jì)驗(yàn)證到自動(dòng)生成代碼過(guò)程。

1 電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

在開(kāi)發(fā)中，首先是通過(guò)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(guò)建模可以避免傳統(tǒng)文本的弊端，通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)的代碼，需要對(duì)模型進(jìn)行建模規(guī)范檢查，使用Simulink V&V工具集可自動(dòng)完成這一流程。為驗(yàn)證算法的正確性，模型檢查通過(guò)后，Matlab提供的System Test（系統(tǒng)測(cè)試）與Simulink DesignVerifier（設(shè)計(jì)驗(yàn)證器）工具可以完成對(duì)控制系統(tǒng)的測(cè)試。模型測(cè)試后，使用Embedded coder工具生成嵌入式代碼，通過(guò)編譯連接生成目標(biāo)代碼，下載到處理器中做代碼的等效性測(cè)試，如處理器在環(huán)測(cè)試（PIL）等。通過(guò)這完整的流程，從文本需求到系統(tǒng)測(cè)試提供了一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，方便開(kāi)發(fā)人員交流，極大的提高了開(kāi)發(fā)的效率。

2 建模規(guī)范檢查與測(cè)試

模型出來(lái)并且可以編譯之后，首先要做建模標(biāo)準(zhǔn)檢查，這個(gè)過(guò)程使用工具Simulink Verification&Validation工具集提供的model advisor自動(dòng)化的完成。Model Advisor可以理解模型的靜態(tài)檢查，用來(lái)驗(yàn)證模型是否正確的搭建出來(lái)。這是建模檢查的第一步，對(duì)建立的模型進(jìn)Model Advisor檢查，這在設(shè)計(jì)初期非常重要，用戶(hù)通過(guò)檢查，能夠找出模型中與建模標(biāo)準(zhǔn)或者安全標(biāo)準(zhǔn)不相符合的部分，對(duì)模型中隱含的問(wèn)題給予警告，并且指導(dǎo)用戶(hù)修改，是代碼生成前重要的工作。Model Advisor提供了常見(jiàn)的建模標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)供用戶(hù)選擇，同時(shí)通過(guò)API接口，用戶(hù)可以建立自己公司的建模標(biāo)準(zhǔn)。

3 處理器在環(huán)測(cè)試

圖1 PIL工作流程圖

處理器在環(huán)測(cè)試是在Simulink中搭建被控對(duì)象的模型，而將控制器算法代碼下載到目標(biāo)處理器中去執(zhí)行，通過(guò)串口或者網(wǎng)絡(luò)接口通信，對(duì)處理器和Simulink進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，這種硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)可以反映控制器的實(shí)際工作情況，得到算法的執(zhí)行時(shí)間，便于及早的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。其工作原理如圖1所示。

PIL環(huán)節(jié)是基于模型設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)橄到y(tǒng)控制系統(tǒng)模型的仿真只能驗(yàn)證算法的正確性，但是由于算法對(duì)處理器性能要求很高，算法的執(zhí)行時(shí)間直接關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，如果FOC算法的執(zhí)行算法的時(shí)間大于PWM的周期，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作。

對(duì)于處理器在環(huán)測(cè)試設(shè)置比較復(fù)雜，所以為能夠完成自動(dòng)化的測(cè)試，本文建立自動(dòng)化的測(cè)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(guò)上述程序既可以自動(dòng)進(jìn)行PIL測(cè)試。用戶(hù)運(yùn)行profile（IDE_Obj，execution，report）即可以生成代碼實(shí)時(shí)運(yùn)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(jì)優(yōu)勢(shì)在于算法的早期驗(yàn)證，使得開(kāi)發(fā)者可以將主要精力放在算法開(kāi)發(fā)上，代碼則由Matlab自動(dòng)生成，很好的提高工作效率。在實(shí)際的開(kāi)發(fā)中，將算法生成為函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，一般底層驅(qū)動(dòng)和控制流程使用匯編語(yǔ)言或者C手工編寫(xiě)。如果通過(guò)Matlab對(duì)底層驅(qū)動(dòng)建模則十分復(fù)雜，得不償失，控制流程開(kāi)發(fā)也沒(méi)有C語(yǔ)言靈活。

參考文獻(xiàn)

[1]劉杰.基于模型的設(shè)計(jì)及其嵌入式實(shí)現(xiàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)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(jiǎn)介

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