基于模型設計的DSP電機控制代碼開發

逄海萍，郭 浩

(青島科技大學，青島 266042)

基于模型設計的DSP電機控制代碼開發

逄海萍，郭 浩

(青島科技大學，青島 266042)

現代工業對電機控制要求的不斷提高使得軟件的規模和復雜度越來越高，而傳統開發DSP電機控制軟件的方式是手工編寫C代碼，其算法實現難度大、底層驅動配置復雜、開發效率低。針對該問題，研究一種高效的DSP代碼開發方式——基于模型設計(Model Based Design, MBD)，該方式以MATLAB為開發平臺，可實現Simulink模型到C代碼的自動轉化，顯著提高開發效率。文章首先介紹MBD對電機控制開發的支持并給出開發流程，然后以DSP永磁同步電機矢量控制為例，在Simulink下建立系統的仿真模型和代碼模型，并自動生成C代碼，最后將代碼下載到DSP控制系統中進行軟件測試。研究結果表明，利用MBD方式可快速、高效地開發出DSP電機控制代碼，并且具有開發難度低、代碼可移植性強等優點。

電機控制；DSP代碼開發；基于模型設計；矢量控制

0 引 言

現代工業對高性能電機控制系統的需求量大幅增加，工程師面臨的挑戰也越來越嚴峻。設計內容的增加、用戶需求的多變、模糊的設計參數和硬件功能軟件化等，導致電機控制代碼的規模和復雜度成倍增加。

電機控制代碼主要包括應用層代碼和底層驅動，應用層代碼是控制算法的實現，底層驅動涉及硬件操作(如寄存器配置、IO讀寫等)。傳統開發方式是控制算法的設計與實現分開進行，Simulink模型仿真成功后,手工編寫C代碼，查閱DSP手冊，手動配置寄存器[1-2]。這樣的開發方式要求軟件工程師具有高超的編程技巧，并對特定型號DSP的底層配置非常熟悉，這嚴重降低了代碼開發效率，增加了開發難度。

基于模型設計(以下簡稱MBD)誕生于20世紀90年代，是一種系統級的算法設計和實現方式，能夠實現Simulink算法模型到C代碼的自動轉化，同時將硬件驅動集成到模型中，只需設置少量參數便可完成寄存器配置等底層工作。整個開發過程，往往無需手寫代碼，這極大提高了軟件的開發效率，并且MBD以MATLAB/Simulink作為統一開發平臺，代碼的可移植性得到大大增強，在歐美地區獲得廣泛認可，在電機控制、嵌入式開發、汽車電子等領域已獲得廣泛應用[3-6]。國內人員對此開發方式的應用還相對較少，在此背景下，本文首先介紹MBD對電機控制開發的支持，然后以DSP永磁同步電機矢量控制為例，建立系統仿真模型與代碼模型，詳細研究其軟件的開發方法和開發流程，最后將生成的C代碼下載到TMS320F2812進行軟硬件測試，以驗證方法的可行性和高效性。

1 MBD對電機控制開發的支持與開發流程

1.1 MBD對電機控制開發的支持

在電機控制領域，MBD對應用層代碼和底層驅動的開發均給予了強大支持[7]。MathWorks公司將廣泛應用于電機控制的C2000系列DSP完整集成到Embedded Coder工具箱中，在其子目錄Processors中可以找到各種型號DSP，并且DSP的底層驅動都被模塊化封裝，如電機控制常用的PWM模塊、QEP模塊、定時器模塊、ADC模塊、中斷模塊等。另外,在Processors/Optimization中有TI公司提供的C28xDMC和C28xIQmath函數庫。C28xDMC是專門用于電機數字控制的函數庫，包含Clarke 變換、Park變換、SVPWM生成器、PID調節器等；C28xIQmath庫是一個虛擬浮點引擎，能夠對浮點數據進行快速處理，常用于定點DSP的代碼開發，其中包含三角函數、平方根函數、IQ數據格式轉換等常用數學函數。使用這些庫函數構建應用層算法，能夠顯著提高生成的C代碼的執行效率。

1.2 開發流程

MBD的電機控制代碼開發流程[7-8]如圖1所示。首先根據系統需求制定控制策略，搭建Simulink仿真模型；仿真成功后對模型進一步檢驗并優化，識別出模型中隱含的錯誤或冗余；再將算法模型與底層驅動進行集成，構建出完整的代碼模型；最后進行自動代碼生成及代碼的編譯與測試。在模型檢驗階段可根據MATLAB的修改建議對Simulink仿真模型進行修改，在代碼測試階段如果發現錯誤，應返回修改仿真模型或者代碼模型。

圖1 MBD的電機控制代碼開發流程

2 MBD的電機控制代碼開發過程

為深入研究MBD的電機控制代碼的開發過程，下面以永磁同步電機(以下簡稱PMSM)矢量控制為例,詳細給出從模型建立到DSP代碼生成的主要步驟。高性能的PMSM矢量控制系統涉及到坐標變換、磁鏈計算、SVPWM調制、先進的控制運算等復雜算法，采用MBD開發代碼更顯優越性。

2.1 系統的建模與仿真

在PMSM矢量控制系統中，應用最為廣泛的是id=0矢量控制策略，其系統結構[8]如圖2所示。采用轉速電流雙閉環控制，n*為轉速參考值，轉速調節器ASR輸出為q軸電流參考值，電流調節器ACR輸出為d,q軸電壓參考值，逆變器采用SVPWM調制方式。

圖2 永磁同步電機id=0矢量控制框圖

2.1.1 基于Simulink的系統建模

(1)控制算法建模

為進一步增強模型的可移植性，并防止DSP運算數據溢出，控制算法部分采用標幺化設計[9]。使用Optimization中的庫函數可快速建立電機控制系統的算法模型，并能生成高效率的C代碼。

(a) 轉速調節器

(b) 電流調節器與矢量變換

(2)硬件電路建模

使用SimPowerSystems工具箱模塊，可實現硬件電路的快速建模。PMSM和逆變器等硬件電路模型如圖4所示。

圖4 PMSM和逆變器的硬件電路模型

(3)系統仿真模型

將算法模型與硬件電路模型整合，得到矢量控制系統的仿真模型，如圖5所示。模型中Scaling模塊用于標幺值與標準值的轉換。控制算法部分采集的信號有轉速給定、轉速反饋和電流反饋，算法部分輸出的三相調制波與三角載波比較后生成6路PWM波，驅動三相逆變橋。

圖5 PMSM矢量控制系統的仿真模型

2.1.2 系統仿真

系統仿真模型建立后，整定控制參數并進行仿真，電機的相電壓、線電壓及轉速仿真波形如圖6所示。圖6(a)中相電壓等級包含0V,±Udc/3,±2Udc/3，線電壓等級包含0V,±Udc，并且相電壓中含有的三次諧波在線電壓中相互抵消[10]，仿真結果與理論相一致；圖6(b)中系統起動具有良好的動靜態特性，在運行過程中突加負載，轉速稍有降落后很快恢復穩態。

(a) 電機相電壓和線電壓仿真波形

(b) 電機轉速仿真波形

仿真結果滿足要求之后，為了發現模型中可能存在的隱含問題，為進一步提高代碼的安全性和執行效率，在生成代碼之前可對算法模型進行檢驗和優化。由于模型檢驗步驟繁多，本文不再贅述，可參考文獻[7]。

2.2 算法模型與底層硬件驅動的集成

本文使用的處理器為TMS320F2812，是專門應用于電機控制的高性能DSP，其片上外設的驅動模塊已被集成到EmbeddedCoder工具箱中。算法模型與底層硬件驅動的集成分為兩部分：同步事件的集成和異步事件的集成。同步事件集成的是需要同步更新的驅動模塊，異步事件集成的是非同步更新的驅動模塊。

本文中矢量變換部分屬于同步事件，集成模型如圖7所示。電流反饋信號通過ADC模塊采樣獲得，轉子磁鏈位置通過光電編碼器由QEP電路解碼獲得。控制算法輸出的調制波經比例放大后，輸入PWM模塊的比較寄存器。雙擊硬件驅動模塊可進行相應DSP外設的參數設置，這些設置將來會自動生成外設模塊的初始化代碼。

圖7 矢量變換集成模型

電機控制系統是一個多速率系統，電流環的采樣速率應遠高于轉速環[10]。實際代碼中，為保證電流環每個周期內SVPWM調制波與電流采樣值能夠同步更新，需將PWM模塊中通用定時器的中斷事件設置為ADC的啟動信號[1],本文設為下溢中斷事件啟動ADC轉換。外環轉速環的采樣周期通過解算器的仿真步長進行設置，本文設置為0.01s。自動代碼生成時，CPU定時器會產生0.01s的周期中斷，以調用轉速環中斷服務子程序。

轉速環程序本身構成同步事件，而與電流環程序構成異步事件。異步事件的集成模型如圖8所示，ADCInterrupt為硬件中斷模塊；FOCAlgorithm為矢量控制部分，其采樣速率由ADC中斷速率決定；其余為轉速環部分，轉速參考信號通過低通濾波器濾波，實際轉速由SpeedCalculation計算，ASR為轉速環調節器。F2812eZdsp用于配置DSP型號，必須和實際使用的處理器型號一致，可通過此模塊進行DSP系統參數的設置，將來會生成系統初始化代碼，如系統時鐘的配置等。正確配置圖8中的各模塊參數及系統參數后，便得到了完整的代碼模型。

圖8 異步事件集成模型

2.3 自動代碼生成

代碼生成之前，可進行優化配置。可以從代碼的高效性、節約存儲空間、可追溯性、安全性、易讀性等多方面進行優先級設置；可為特定型號的處理器指定代碼生成時使用的代碼替代庫[7]，這能夠顯著提高C代碼的執行效率。

優化配置完成后，通過仿真器將電腦與DSP目標板連接，在圖8的代碼模型中，點擊Simulink界面的BuildModel按鈕，MATLAB會啟動CCS進行代碼生成。生成的工程文件在CCS中自動打開，文件中的代碼附有詳細注釋，通過點擊注釋可追蹤到相應Simulink模塊，方便代碼分析。

3 系統軟件運行與測試

控制代碼生成后，可在硬件系統上進行軟件測試。PMSM控制系統硬件結構如圖9所示。

圖9 PMSM控制系統硬件結構圖

使用CCS將生成的C代碼編譯并下載到DSP中，運行程序，觀察運行結果，并在各種條件下檢驗軟件是否正確；一般情況下，如果仿真模型建立正確，代碼模型配置無誤，將一次性生成符合要求的C代碼；若測試中發現問題，應檢查仿真模型或代碼模型并進行修改，直到正確、滿意為止。

在本文中，使用示波器觀察電機側的電壓波形如圖10所示，電機起動和突加負載的轉速反饋波形如圖11所示。從實驗波形可以看出，系統實際運行波形與仿真波形基本相符，實驗結果符合理論分析和工程要求，也充分說明了MBD開發電機控制代碼的可行性和高效性。

(a)電機相電壓波形(b)電機線電壓波形

圖10 電機相電壓與線電壓波(截圖)

圖11 電機起動和突加負載的轉速反饋波形(截圖)

4 結 語

本文主要研究了以MBD方式開發DSP電機控制代碼的詳細過程，并以PMSM矢量控制代碼的開發為例，通過規范流程建立起控制系統的Simulink仿真模型和代碼模型，使用MATLAB與CCS聯合將Simulink代碼模型自動轉化為C代碼，并在硬件系統上進行了軟件測試，實驗結果驗證了代碼的有效性。開發過程中使用Simulink提供的工具箱和電機函數庫及DSP底層驅動，快速完成了系統建模工作，這使得代碼的開發難度降低而開發效率顯著提升。可見，DSP代碼的MBD開發方式具有開發難度低、效率高，代碼可移植性強等特點，應用前景廣闊。

[1] 顧衛剛.手把手教你學DSP：基于TMS320X281X[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011:123-132.

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Development of Motor Control Code Based on Model-based Design for DSP

PANGHai-ping,GuoHao

(Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042,China)

The scales and complexities of software for high-performance motor control are more and more enlarged because of the modern industry enhancing demands. But the traditional method of motor software development for DSP is programming C code by manual, and the efficiency is very low because of the big difficulty to realize control algorithm and complexity to configure bottom drive. Aiming at this problem, a high efficiency way for DSP code development, model-based design (MBD) was studied, by which the Simulink model could be translated into C code automatically and the developing efficiency was improved greatly. Firstly, the Model-based Design's supports and workflow for motor control system development were introduced. Therefore, the software development process for PMSM vector control systems was demonstrated, including the building of simulation model and code model in Simulink environment, and the generation of C code. Finally, the generated C code was downloaded into DSP system to test control soft. The research results show that the MBD method can develop DSP motor control code quickly and efficiently, and has the advantages of low-difficulty and good code portability.

motor control; DSP code development; model-based design(MBD); vector control

2016-06-02

國家自然基金項目(60940018,61104004)；山東省自然基金項目(ZR2011FQ006)

TM351

A

1004-7018(2017)03-0053-04

逄海萍(1964-)，女，博士，教授,從事電力電子技術、運動控制方面的教學和科研工作。