構(gòu)建MBD仿真模型和狀態(tài)機(jī)

1 模型仿真與實(shí)際應(yīng)用之間的區(qū)別

MBD（Model-Based Design，基于模型的設(shè)計(jì)）是通過模型生成代碼的，所有我們有必要弄清楚模型仿真與實(shí)際應(yīng)用之間的區(qū)別。

仿真模型與實(shí)際應(yīng)用之間的區(qū)別本質(zhì)上是理論與實(shí)踐之間的差別，其中的差別可以說是兩個(gè)完全不同的話題。

這里又給大家更新三篇與電機(jī)控制實(shí)踐相關(guān)的文章。它們是由NXP的工程師編寫的電機(jī)控制應(yīng)用筆記，可以在NXP官網(wǎng)找到，也可以在對話框中回復(fù)關(guān)鍵詞“ NXP應(yīng)用筆記 ”，即可收到相應(yīng)資源。

這三篇應(yīng)用筆記分別是：

• 3-Phase Sensorless PMSM Motor Control Kit with S32K144
• 3-Phase Sensorless BLDC Motor Control Kit with S32K144
• 3-phase Sensorless Single-Shunt Current-Sensing PMSM Motor Control Kit with MagniV MC9S12ZVM

*NXP電機(jī)控制應(yīng)用筆記 * - From autoMBD

前兩篇分別以PMSM和BLDC為主題，介紹如何實(shí)現(xiàn)無感FOC控制；第三篇講的是單電阻無感控制方案，實(shí)現(xiàn)的也是FOC算法，軟件實(shí)現(xiàn)上是有一些區(qū)別的，也要復(fù)雜一些。

Tips ：第三篇是基于MagniV MC9S12ZVM的，而不是S32K144，參考這篇文章時(shí)，主要學(xué)習(xí)的是單電阻電機(jī)控制方案，這個(gè)方案也是完全可以移植到S32K1xx系列上的。

無感控制比有感控制要復(fù)雜，將無感的方案稍加改造就可以做出有感的控制方案，所以這三篇應(yīng)用筆記是很有實(shí)踐參考價(jià)值的。

這三篇應(yīng)用筆記給的都是 純代碼開發(fā)的方案 ，即介紹了工程實(shí)踐中如何從數(shù)學(xué)原理一步一步實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，主要內(nèi)容包括：

1. 電機(jī)控制數(shù)學(xué)原理
2. 電流、電壓采樣輸入和驅(qū)動輸出
3. MCU模塊資源的使用
4. 底層驅(qū)動配置和初始化
5. 電機(jī)控制軟件架構(gòu)（狀態(tài)機(jī)、電機(jī)控制庫、MCAT等）

下面的這個(gè)框圖可以較為全面的展示 第1~4點(diǎn)在電機(jī)控制中的實(shí)際體現(xiàn) ：系統(tǒng)從外部硬件（電機(jī)、逆變器、預(yù)驅(qū)芯片）起，經(jīng)過信號采集，再到MCU的外設(shè)模塊（白色方塊），再到底層驅(qū)動（SDK Driver/橙色方塊），然后進(jìn)入到FOC的軟件算法部分（綠色方塊），而FOC的輸出經(jīng)底層驅(qū)動、再到外設(shè)模塊（FTM模塊）輸出到預(yù)驅(qū)芯片，從而實(shí)現(xiàn)控制。第5點(diǎn)則是調(diào)度上述過程的狀態(tài)機(jī)，關(guān)于第5點(diǎn)后文會更一步的講解。

*NXP電機(jī)控制軟硬件框圖 * - From NXP

從這五點(diǎn)我們就能引出我們要討論的問題： 模型仿真與實(shí)際應(yīng)用之間的區(qū)別到底有哪些 ？

簡單的說，模型仿真只能觸及上述的第1點(diǎn)；如果對建模有更深入的研究，第2點(diǎn)也能做仿真，這部分實(shí)際上和硬件電路設(shè)計(jì)有關(guān)，所以很少有在模型仿真中考慮這一點(diǎn)；第3、4、5點(diǎn)就是完全的非理論了，與嵌入式、編程和芯片有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，是實(shí)實(shí)在在的實(shí)踐過程。

所以，在袁雷的《現(xiàn)代永磁同步電機(jī)控制原理及MATLAB仿真》中是完全不包括第2~5點(diǎn)的內(nèi)容的。

以電流采樣電阻為例，實(shí)際應(yīng)用場景中，為了測量電流信號的方向，一般會對采樣電阻進(jìn)行偏置處理。NXP開發(fā)的DEVKIT驅(qū)動板相電流采樣電阻為例，其電路設(shè)計(jì)如下圖所示：

*DEVKIT驅(qū)動板相電流采樣電阻 * - From NXP

可以看到，偏置電壓為參考電壓的一半，所以最終輸入到芯片ADC的電壓是以偏置電壓為中心對稱的。

根據(jù)大于偏置電壓還是小于偏置電壓，可以判定電流是正方向還是負(fù)方向。所以在信號處理中還需要將這個(gè)偏置電壓減去。

關(guān)于電流采樣，還有布置方式的不同，常見的采樣電阻布置方式有以下這些：

• 三電阻下橋臂采樣/相電流采樣
• 雙電阻下橋臂采樣/相電流采樣
• 單電阻母線采樣

Tips ：這里列舉了常見采樣電阻布置方式，一般應(yīng)用中下橋臂采樣較多，相電流采樣多用于高性能、高效率電機(jī)控制的場合，而單電阻母線采樣是成本最低，但采樣方式最復(fù)雜的。

不同的布置方式，采集的電流是不同的，而控制算法是需要全部的三相電流的。三個(gè)采樣電阻可以直接得到三相電流信號，如何通過一個(gè)電阻或者兩個(gè)電阻得到三相電流數(shù)據(jù)，也是有方法的。

雙電阻相對來說較為簡單，根據(jù) 三相電流和為零 ，可以直接求解出第三相電流。單電阻采樣的場景要復(fù)雜很多，具體可以參考 上述的第三篇應(yīng)用筆記 。

以上關(guān)于電流采樣的所有方法，在模型仿真中都沒有考慮，只是一根信號線連接到控制器 ，這就是理論仿真和實(shí)踐的巨大區(qū)別所在，如下圖所示（摘自袁雷的《現(xiàn)代永......仿真》）：

*仿真模型示例 * - From 袁雷

Tips ：因?yàn)槲覀円褂肕BD的開發(fā)方法，所以這里不再深入詳細(xì)展開講其他的區(qū)別，以后有需要的地方再做提示，有興趣的讀者可以自行參閱上述三篇NXP的應(yīng)用筆記。

當(dāng)我們了解了所有理論與實(shí)踐之間的區(qū)別，輔以嵌入式開發(fā)和編程的基礎(chǔ)，一個(gè)簡單的電機(jī)控制項(xiàng)目就可以實(shí)現(xiàn)。

即使是一個(gè)產(chǎn)品級的電機(jī)控制軟件，也只是再補(bǔ)充通信、故障診斷、功能安全等其他需求的功能。復(fù)雜度可能會高很多，但開發(fā)和設(shè)計(jì)的本質(zhì)框架就是這樣的。

2 MBD拉近模型仿真****與實(shí)際應(yīng)用之間的距離

如果要更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f，上面討論的也只是電機(jī)控制算法部分的工程實(shí)踐。一個(gè)完整的產(chǎn)品應(yīng)用，硬件設(shè)計(jì)和 軟件設(shè)計(jì) 。硬件設(shè)計(jì)可以交給硬件工程師，我們把重點(diǎn)放在軟件設(shè)計(jì)上。

上面三篇應(yīng)用筆記中提到的電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)方案，是屬于軟件設(shè)計(jì)的一部分。傳統(tǒng)的開發(fā)中，就需要將選定的電機(jī)控制方案 轉(zhuǎn)化為一行行的代碼 ，這就又涉及到數(shù)學(xué)（理論）到編程語言（實(shí)踐）之間的轉(zhuǎn)換。入門門檻高，同時(shí)效率也較低。

Tips ：以我自己的經(jīng)歷為例，上述應(yīng)用筆記內(nèi)容的代碼實(shí)現(xiàn)過程，我是完整的走過一遍的。我從對嵌入式一無所知，到學(xué)習(xí)嵌入式的基本模塊和開發(fā)方法，再到能寫一些基本的嵌入式代碼，花費(fèi)了3個(gè)月的時(shí)間，然后又花了差不多1個(gè)月的時(shí)間，才實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的電機(jī)控制嵌入式程序。這還是我對電機(jī)控制理論有了足夠的基礎(chǔ)之后的開發(fā)效率。

但利用MBD的開發(fā)方法，我們可以大大簡化這一步驟。模型我們是比較容易得到的， 利用模型直接生成代碼，能有效地縮近理論和實(shí)踐直接的距離 。更多MBD相關(guān)的內(nèi)容，請參考本公眾號 前面幾期內(nèi)容 ，或者在對話框中回復(fù)關(guān)鍵詞“ MBD入門 ”。

*MBD的開發(fā)流程 * - From ST

如果讀了上述三篇應(yīng)用筆記，就可以發(fā)現(xiàn)，嵌入式軟件設(shè)計(jì)很多是可以通過建模的方式實(shí)現(xiàn)的。這里簡單的把軟件設(shè)計(jì)分為五類，它的軟硬件層級如下圖所示（軟件為虛線框部分）：

*電機(jī)軟硬件層級示例 * - From autoMBD

下面是這五類軟件關(guān)于MBD建模實(shí)現(xiàn)的分析：

• 底層驅(qū)動 ，MCU、硬件電路強(qiáng)相關(guān)

底層驅(qū)動是和芯片和硬件電路設(shè)計(jì)緊密相關(guān)的，比如硬件引腳（Pin腳、外設(shè)、端口等）使用的不一樣，底層驅(qū)動的配置也就不一樣了。

原則上底層驅(qū)動是可以通過芯片廠商提供的MBD硬件支持包來實(shí)現(xiàn)的，但從靈活性和效率的角度來說，目前建議通過專門的底層驅(qū)動配置工具來配置底層驅(qū)動，例如NXP適用于S32K1系列的配置工具Processor Expert。

• 數(shù)字信號處理 ，硬件電路弱相關(guān)

數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）是將真實(shí)世界中的物理量（模擬量，例如電流、電壓等）轉(zhuǎn)換為控制器需要的量的過程。

還是以電流采樣為例，在前文給的電流采樣電路基礎(chǔ)上，ADC讀到的電壓實(shí)際上是一個(gè)12 bit的整數(shù)，需要將其進(jìn)行偏置消除以及物理量轉(zhuǎn)換等操作，有必要的話會需要進(jìn)行濾波處理。

可以看到，這個(gè)過程和硬件電路設(shè)計(jì)有一定的聯(lián)系，硬件設(shè)計(jì)的不一樣，處理的細(xì)節(jié)可能存在一定的差異。但基本的信號處理方法是相通的，例如濾波器、積分、微分、移位運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等。

這一過程是可以通過建模的方式實(shí)現(xiàn)，并且信號處理越復(fù)雜，模型的優(yōu)勢就更明顯，畢竟模型很容易搭建，代碼寫起來就很費(fèi)勁了。

所以我們可以把軟件設(shè)計(jì)中的這一部分納入到MBD中，通過建模的方式自動生成代碼。

• 電機(jī)控制算法 ，硬件電路弱相關(guān)

數(shù)據(jù)信號處理后，將得到的數(shù)據(jù)傳遞到電機(jī)控制算法中?？刂扑惴ㄖ幸话惆ㄗ鴺?biāo)變換、PI控制器、FOC、SVPWM等環(huán)節(jié)。電機(jī)控制算法會得到一個(gè)控制輸出量，一般是三相的占空比。

這些環(huán)節(jié)使用Simulink內(nèi)置的模塊，或者使用芯片廠商提供的MBD硬件支持包，是可以很方便快捷的實(shí)現(xiàn)的。這部分如果要編寫代碼，對初學(xué)者來說，甚至對有一定編程基礎(chǔ)的人來說，都算是不小的挑戰(zhàn)。

此外建?？梢院芊奖愕卣{(diào)整控制算法的結(jié)構(gòu)，開發(fā)初期這是很常見的。手寫代碼的話，每一次調(diào)整結(jié)構(gòu)就需要重復(fù)工作一遍，效率很低。

因此電機(jī)控制算法部分是很適合通過建模生成代碼來實(shí)現(xiàn)的。

這里解釋一下電機(jī)控制算法****為什么是硬件電路弱相關(guān) 。一般來說，通用的電機(jī)控制算法是可以做到與硬件電路無關(guān)的。

但在某些場景下，例如有的芯片具有硬件加速模塊，或者使用一些特殊的控制算法（無感和有感就有硬件上的差異），可能會影響控制算法的執(zhí)行，所以電機(jī)控制算法和硬件有一定的關(guān)聯(lián)。

• 狀態(tài)機(jī) ，與硬件電路無關(guān)

狀態(tài)機(jī)是與硬件電路完全無關(guān)的，而且在Simulink中提供的****Stateflow是專門用于狀態(tài)控制建模的工具 ，用它開發(fā)狀態(tài)機(jī)效率可以提高一個(gè)檔次。所以狀態(tài)機(jī)使用MBD來實(shí)現(xiàn)也是毫無問題的。

• 其他軟件 ，例如通信、失效檢查等，暫時(shí)我們不考慮這部分內(nèi)容

從上面的分析來看，除開底層驅(qū)動，其他軟件部分均可以通過MBD建模的方式實(shí)現(xiàn)，并且能大大提高效率。

下圖是較為常見的V型開發(fā)流程，參考這個(gè)流程就可以開發(fā)一個(gè)基于MBD的電機(jī)控制軟件。

*V型開發(fā)流程 * - From ST