關(guān)于設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)控制器的性能分析和介紹

永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)中，有兩大主要的設(shè)計(jì)難題：

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的Simulink模型搭建、仿真與驗(yàn)證以及代碼生成。由于國(guó)內(nèi)新能源車的發(fā)展迅猛，很多電車類客戶在 AUTOSAR 和 ISO26262 方面有剛性需求。

被控對(duì)象模型

長(zhǎng)久以來，基于模型的設(shè)計(jì)（MBD）已經(jīng)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員的標(biāo)準(zhǔn)配置。但被控對(duì)象層面的模型化，相對(duì)控制層面的建模來說，一直是一個(gè)難題。

有了被控對(duì)象模型和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模型，將兩者形成閉環(huán)，這才能形成一個(gè)真正意義上的MBD。無論在早期的模型在環(huán)測(cè)試（MIL）、軟件在環(huán)測(cè)試（SIL），還是在后期的處理器在環(huán)測(cè)試（PIL）、硬件在環(huán)測(cè)試（HIL），閉環(huán)仿真將在極大程度上減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，增加開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。

永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)被控對(duì)象建模

MathWorks能提供三種不同精度的永磁同步電機(jī)被控對(duì)象模型：

線性模型—轉(zhuǎn)矩和電流為線性方程

非線性飽和模型—轉(zhuǎn)矩和電流的關(guān)系為非線性飽和型

飽和加空間諧波模型—轉(zhuǎn)矩和電流的關(guān)系為飽和加空間諧波型

線性模型的建立

Simulink 中的 Simscape Power Systems 以及 Powertrain Blockset 都提供了線性模型供設(shè)計(jì)參考。

線性模型所需參數(shù)：

如何獲取這些參數(shù)：

非線性飽和模型的建立

Simulink 中的Powertrain Blockset 提供了非線性飽和模型供設(shè)計(jì)參考。用戶可通過兩種方式獲取數(shù)據(jù)后填充這些模型（即填充 Nonlinear Flux 和 Current 表格）

這兩種獲取數(shù)據(jù)方式為電機(jī)臺(tái)架測(cè)試（Dyno Testing）和有限元分析（FEA）。

飽和加空間諧波模型的建立

飽和加空間諧波模型的建立只有通過 FEA 的方式獲得，MathWorks 工程師為用戶提供了：

基本的飽和加空間諧波模型的Simulink模型框架

通過不同F(xiàn)EA（ANSYS,JMAG等）工具獲取數(shù)據(jù)后的處理腳本（處理導(dǎo)入數(shù)據(jù)至模型框架）

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基于模型的開發(fā)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基于模型的開發(fā)可以從如下幾點(diǎn)來考慮：

驅(qū)動(dòng)器建模、仿真和代碼生成

符合 AUTOSAR 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器開發(fā)

ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的建模、仿真、測(cè)試和代碼生成

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的建模、仿真和測(cè)試一般是通過Simulink和Stateflow來完成。在建模和仿真的過程中可注意如下幾點(diǎn)：

可通過 Simulink Check 進(jìn)行模型的靜態(tài)檢測(cè)，例如 MAAB、ISO26262、MISRA 等檢查規(guī)則

可通過 Simulink Test 進(jìn)行模塊級(jí)別單元測(cè)試，同時(shí)可通過 Simulink Coverage 檢測(cè)模型的覆蓋率

可通過 Simulink Design Verifier 進(jìn)行模型死區(qū)檢測(cè)和自動(dòng)生成一些測(cè)試用例（用來補(bǔ)足模型的測(cè)試覆蓋率）

以上活動(dòng)如果有驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)模型形成閉環(huán)，一般稱之為 MIL（Model-In-the-Loop），MIL 主要考察模型的邏輯正確性。

在 MIL 通過之后，可考慮進(jìn)行：

SIL（Software-In-the-Loop）

將驅(qū)動(dòng)器的部分通過 Embedded Coder 生成 C 代碼，然后將 C 代碼編譯后和電機(jī)模型聯(lián)合測(cè)試。SIL 主要考察 C 代碼生成的正確性。

PIL(Processor-In-the-Loop)

將驅(qū)動(dòng)器的部分生成代碼加載到處理器上，通過外圍接口和電機(jī)模型聯(lián)合測(cè)試。PIL 主要考察 C 代碼到匯編語(yǔ)言的編譯鏈接以及在處理器上執(zhí)行的正確性。

HIL(Hardware-In-the-Loop)

將成品電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和在高速實(shí)時(shí)工控機(jī)上運(yùn)行的電機(jī)模型，通過實(shí)時(shí)總線進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試。HIL 主要考察在實(shí)時(shí)環(huán)境下電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的邏輯和性能。

MathWorks 提供了基于 TI C2000 的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)示例，用戶可在模型仿真的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生應(yīng)用層 C 代碼。應(yīng)用層代碼通過調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)模塊，在 TI CCS 環(huán)境下編譯鏈接，并可直接運(yùn)行在 TI C2000 平臺(tái)上。

機(jī)

符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器開發(fā)

AUTOSAR 是一種汽車電子的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，由 ASW、RTE、BSW 等層次組成。Simulink 可通過 Embedder Coder 產(chǎn)生符合 AUTOSAR 架構(gòu)的代碼，該代碼直接調(diào)用 RTE 接口。

一般來說，Simulink 支持兩種開發(fā)模式：

自上而下模式

Simulink 可以導(dǎo)入如 Davinci Developer 等基于標(biāo)準(zhǔn) AUTOSAR 的架構(gòu)工具的 ARXML 文件，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行 ASW 內(nèi)部的 runnable 的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)完成后可生成可調(diào)用 RTE 的代碼。

自下而上模式

Simulink 可以已經(jīng)做好的控制模型，將原有的非 AUTOSAR 輸入輸出接口配置成 AUTOSAR 的輸入輸出接口，形成標(biāo)準(zhǔn)的 ASW。此后，可生成可調(diào)用 RTE 的代碼。

Simulink 對(duì) AUTOSAR 的支持可通過從網(wǎng)上下載 AUTOSAR 支持包來完成，無需額外的許可證支持。

ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)

ISO26262 為車用電機(jī)企業(yè)目前比較關(guān)注的一部關(guān)于功能安全的標(biāo)準(zhǔn)。MathWorks 產(chǎn)品對(duì)于 ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)主要體現(xiàn)在第六章軟件部分和第八章工具和支持過程。

在第六章中，ISO26262 提出了 15 個(gè)表格。每個(gè)表格中針對(duì)不同的 ASIL 等級(jí)，對(duì)一些軟件開發(fā)過程中的技術(shù)做了不同層次的要求。用戶需要證明其軟件開發(fā)過程符合這些要求。MathWorks 在 IEC Certification Kit 中的 Model-Based Designfor ISO26262 文檔中對(duì)于每一個(gè)表格都有相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)對(duì)。

第八章中，ISO26262 對(duì)開發(fā)過程中使用到的軟件做了一些規(guī)定。MathWorks 的

Embedded Coder，Simulink Design Verifier，Simulink Check，Simulink Coverage，Simulink Test，PolySpace Bug Finder，PolySpace Code Prover 都被 TUV 嚴(yán)格做了以下審核和認(rèn)證：

SUV 出具了對(duì)這些產(chǎn)品的工具認(rèn)證報(bào)告

MathWorks推薦了這些產(chǎn)品的使用流程

TUV 針對(duì)以上使用流程的若干使用場(chǎng)景做了 TCL（工具置信度）的事先劃分

在實(shí)際認(rèn)證過程中，如果為 TCL1 則無需做額外的工具資格認(rèn)定（tool qualification），例如：Embedded Coder 如果嚴(yán)格按照 MathWorks 推薦的流程來使用，則為 TCL1。

如果為 TCL2 或者 TCL3，則用戶需要做工具資格認(rèn)定，MathWorks 提供了工具資格認(rèn)定所需的測(cè)試用例，用戶只需要運(yùn)行即可。

用戶須為以上被預(yù)認(rèn)證過的產(chǎn)品提供一份 TQP(Tool QualificationPackage) 和 CDT (Conformance Demonstration Template)，用來說明該產(chǎn)品是如何被資格認(rèn)定的。MathWorks 提供了文檔模板。

以上的證書、模板和測(cè)試用例都可在 IEC Certification Kit 中找到。

針對(duì)電機(jī)企業(yè)的設(shè)計(jì)需求，MathWorks 提供專業(yè)咨詢服務(wù)，包括：電機(jī)控制MBD咨詢、電機(jī)高精度模型建立咨詢、流程改進(jìn)咨詢（以ISO26262為例）等。