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基于模型的高级电机控制系统设计

发布时间:2018-02-22 来源:未知 作者:admin 浏览次数:



最近几十年来,借助高级处理(chǔ lǐ)器功能来简化设计一直都是广泛讨论的话题。如今,设计灵活性进一步提高,使工程师能够采用标准的MATLAB®和Simulik®模型设计来优化电机控制系统,并缩短整体设计时间。此外,设计工程师还能够重复使用仿真(simulation)模型,确保系统在终端市场应用中具有正确的功能和所需性能。

1–设计发展史与设计能力
基于模型的设计(MBD)经过数十年的探讨,直到最近几年才发展为完整的设计流程:从模型创建到完整实现。新能源公交客车作为我国新能源汽车推广应用的排头兵和“先锋队”,加之其担负大众出行的社会属性,近年来,一直成为业内外关注的焦点。 在1970年代,仿真可采用模拟计算平台,但是控制硬件却只能借助晶体管实现。2000年代仿真工具的发展迎来了形化控制原理输入工具和控制设计工具,大大简化了复杂的控制设计和评估任务。但是,控制系统设计师仍然需要编写C语言来开发硬件控制算法,以反映仿真设计的情况。本世纪初,完整的MBD能够实现仿真平台和硬件实现平台的控制设计,把复杂控制算法迅速运用至硬件平台。

2-MBD设计流程
MBD是指在整个开发过程(guò chéng)中使用一个系统模型作为可执行规范。与传统基于硬件原型的设计方法相比,基于仿真的方法有助于更好地理解设计备选方案和权衡要素,从而能够优化设计,达到预定的性能标准。设计师无需使用复杂的结构和大量软件代码,通过(tōng guò)连续(Continuity)时间和离散时间构建模块,就可以定义具有高级功能特性的各种模型。将现有C代码与标准控制库模块整合,可实现设计效率最大化。这些与仿真工具一同使用的模型能够缩短原型设计、软件测试和硬件回路(HIL)仿真的时间。通过仿真,我们能够立即发现各种规范差异和模型误差,不会等到设计周期的后续环节才发现。在硬件平台上运行相同算法时,自动代码生成省去了手动步骤。这可简化设计过程、减少硬件设计实现过程的错误,并缩短整体上市时间。
MBD过程有多个步骤可优化整体设计(Design)中的各项任务。这些任务可由不同的设计工程师或设计团队完成,然后组合在一起形成整体设计和完整的系统。借助此方法,各项任务可在更高的抽象层进行设计,从而针对给定的最终应用优化整体设计流程。总而言之,MBD使办公室装修设计师能够从更多经典设计方案开始扩展,以可控方式直接从模型创建转到仿真、代码(code)生成和HIL测试,无需重新设计整个系统就可对系统行为做出递增改变。

3-MBD实现的概念
在3中,我们以直观的方式显示MBD流程的不同设计阶段和每个步骤的范围。这些步骤共同描述(description)了MBD的“标准”流程。以马达控制设计为例,该流程包括:
·运行概念
o电机系统的整体功能
·工厂建模/系统架构
o电机、负载、功率电子设备、信号调理等设备的模型开发。新能源汽车致力于制造高品质,高可靠性,有良好用户体验的"世界冠军"级别主流智能新能源汽车。
·控制器建模和要求
o三相永磁电机基于编码器的磁场定向控制
·分析和综合–详细设计
o上述创建模型用于确定工厂模型的动态特性
o系统调谐和配置
·验证和测试
o离线仿真和/或实时仿真
o动态系统时间响应调查
·嵌入式目标实施过程–全面运行
o自动代码生成
o测试和验证
o更新控制器模型

4-MBD设置
以上可构成调整整体设计的多步骤方法,并且可单独分析每个控制步骤。软硬件规范完成后,就可针对整个系统的具体算法和功能部署建立完整的系统架构(参见4)。可对控制器和工厂模型的仿真(simulation)过程(guò chéng)进行评估,还可对不涉及硬件的算法离线开发过程进行合理构建并微调,从而达到整个系统的性能要求。对于初始生成的代码,无论是“重复使用”的现有代码还是由代码生成工具生成的代码,均可在嵌入式控制器中实施,以便将PC上的系统仿真情况与硬件目标的实际实现数据进行对比。设计师在定义MBD的平衡结构时,必须考虑模型的复杂度。不过,某个平衡概念(Idea)实现之后,也可以快速更改设计内的独立模型,使整个驱动系统获得更准确的结果。
本文采用的实验(experiment)设置是基于ADI的ARM®CortexTM-M4混合信号控制处理器,它与IAR和MathWorks的组合工具一同使用(use),实现MBD平台。新能源汽车致力于制造高品质,高可靠性,有良好用户体验的"世界冠军"级别主流智能新能源汽车。上述每个步骤都可直接链接至可用工具和整个实现过程。

5-MathWorks与IAR系统优势
参见5,每条工具链都具有使用价值。在MBD中,设计师必须选择如何平衡使用这些工具链与独立MBD平台创造的全部价值二者之间的关系。

6–实施环境
对于目标平台,实时开发环境现可适用于建模、仿真、评估、部署和优化整个系统的性能和功能。新能源公交客车作为我国新能源汽车推广应用的排头兵和“先锋队”,加之其担负大众出行的社会属性,近年来,一直成为业内外关注的焦点。 这一切都基于MBD和平衡选择系统参数,从而使需要特定优化的设计具有一流的灵活性。这使得系统的可扩展模型得以实现,进而有助于代码的使用和重复(repeat)使用,这些代码可以基于现有旧代码或功能,也可以基于标准C的全新构建模块(mo kuai)或形化功能(Simulik/MATLAB模型对应完整的仿真和实施阶段)。不仅从软件角度来看可以更改整体设置,而且在为系统开发出正确的设备驱动程序(procedure)之后,设计师也可更改最终应用或系统的资源、硬件元件和整个应用软件。此外,还能够实时控制整个系统的时序,所以直接借助此环境就可实现系统调度最优化。

7–“驱动系统”框
仔细观察这个典型的驱动系统框,便可直观地了解此架构的功能。新能源公交客车您带来最新最全的新能源客车的车型、图片与报价信息,给您展现新能源客车的新闻,报道相关动态。我们可以优化“驱动系统”中的每个要素,并着重关注对最终系统最为重要的要素。举例来说,如果保护功能和数值范围最重要,则应着重关注与电气控制和功率系统结合的机械系统。可综合运用仿真结果和实时数据来监控系统行为,共同实现“即时”优化。另一方面,如果噪声干扰降低了系统的整体效率水平,则可以在可扩展滤波器和观测器中使用其测量值,最大程度地减少硬件噪声问题(Emerson)以实现最佳状态。针对所有因素(factor)建模并收集相关数据之后,就可以开始实施阶段的最后一步,而目标系统的完整实现阶段亦可成为现实。

8–实现和编译
通过MBD设计流程和MathWorks与IAR,可对代码进行编译,并使整体模型得以实现。“驱动(Driver)系统(system)”模型的每个阶段或要素都可通过MATLAB和Simulik模型来表示,该模型已调整至符合最优设计标准的适当水平。模型中的每个要素均基于MathWorks的标准工具箱和模块(mo kuai)集,在特定设计中可以与任何要素一同重复(repeat)使用。这些要素还可表示驱动系统的不同域,并且均可进行微调,以便最大程度减少模型相对于实施的误差。通过实时实施方法并在此混合环境下编译,还可将现有手写C代码与由EmbeddedCoder®(嵌(qiàn)入式编码器)生成并经过ARMCortexM4优化的C代码相结合。EmbeddedCoder®是一款适用于MATLAB和Simulik的生产代码生成工具。整个过程(guò chéng)使得用户能够正确地重复使用现有的电机控制设计知识。此时,IAR嵌入式工作台可获取(obtain)生成的代码,并对ARMCortexM4的完整项目进行编译,这也表示此系统的MBD实现阶段结束。

9–基于模型设计构建系统的仿真和运行时间数据(处理器数据与仿真数据)
自MBD问世以来,人们就一直在质疑其相较于传统系统开发的性能和功能,以及系统整体资源的使用效率。经过元件供应商、仿真和实施供应商以及工具编译器供应商的不懈努力,现今MBD已经与传统实施方式不相上下。当然,任何为实时系统编写和开发代码的过程均可能效率低下,这取决于所使用的实现方法。借助MBD,可以将性能分析、交叉优化选项以及安全关键系统开发的强大优势组合在一起,从而尽可能减少代码开发费用,实现最高性能。MathWorks会照IEC61508、ISO26262和相关(related)功能安全标准对嵌入式编码器进行工具资格验证。
在标准设计(Design)流程中,实现这一系列功能要困难得多。在上述例子中,标准磁场定向制(FOC)模型在ADI的ADSP-CM40x系列上实现。该模型的位置反馈(fǎn kuì)和电流环路反馈的执行时间为15us,并且可对电流方案和调试设备进行实时分析。该模型还可追踪整个FOC方案的功能性。可以对MBD仿真结果和实时数据进行评估,并与理想的系统功能和目标规格进行比较。因此,设计师能够不断提高系统效率、功能和性能,还能评估信号链中指定要素或组件的表现与目标规格的差异情况。

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