基于模型的無刷電機(jī)控制代碼快速生成

周宇博，劉杰

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福州 350003）

引 言

隨著軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，以及用戶對產(chǎn)品安全性，可靠性的要求，嵌入式應(yīng)用的開發(fā)難度與代碼體積都在迅速增加，傳統(tǒng)的基于文本的開發(fā)方式已經(jīng)越來越難以滿足這種高性能與快節(jié)奏研發(fā)的要求。

基于模型的設(shè)計方法利用Mathworks提供的一系列工具，可直接實現(xiàn)從設(shè)計理念到算法模型，再由模型自動生成嵌入式代碼的高效開發(fā)流程。對于本例來說，在LPC2124芯片上實現(xiàn)無刷電機(jī)控制（BLDC），設(shè)計者無需考慮如何將電機(jī)狀態(tài)的變換用C或匯編語言體現(xiàn)，僅需關(guān)注算法本身，將繁瑣的代碼生成工作交給計算機(jī)完成。這樣可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，顯著提高工作效率。

1 原理分析

直流無刷電機(jī)的工作離不開電子開關(guān)電路，因此由電動機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)電路3部分組成了直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。直流電源通過開關(guān)電路向電動機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)位置信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而自動地控制哪些繞組通電、哪些繞組斷電，實現(xiàn)了電子換相。

圖1 無刷電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

下面以一個三相繞組的無刷電機(jī)為例，簡要介紹其工作原理。圖2為三相全橋式驅(qū)動電路原理圖，對其采用二相通電的方式驅(qū)動，即有兩個繞阻同時通電。圖中包含6個晶體管、二極管組成的三相逆變電路，Ha、Hb、Hc為霍爾元件反饋的轉(zhuǎn)子位置信號。控制電路會根據(jù)位置信號決定6路PWM信號的通斷，進(jìn)而使功率管導(dǎo)通或關(guān)斷，使繞阻按一定順序?qū)?，?qū)動電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)采用二相導(dǎo)通方式驅(qū)動電機(jī)時，功率管的導(dǎo)通或關(guān)斷情況經(jīng)過1／6周期（即60°）。在直流無刷電機(jī)的內(nèi)部嵌有3個霍爾位置傳感器，它們在空間上相差120°。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，當(dāng)它在轉(zhuǎn)動的時候，其磁場將發(fā)生變化形成旋轉(zhuǎn)磁場，每個霍爾傳感器都會產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號。

圖2 三相全橋式驅(qū)動電路原理圖

假設(shè)當(dāng)前功率管V1、V6導(dǎo)通，則電流從A相流入電機(jī)，從C相流出電機(jī)，由電流經(jīng)繞阻產(chǎn)生的磁場方向為（A，－C）。由A和－C的合磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到AC位置。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使霍爾傳感器的輸出發(fā)生變化，控制電路會據(jù)此調(diào)整功率管的導(dǎo)通情況，將V6關(guān)斷，V5導(dǎo)通。這時，電流從A相流入電機(jī)，從B相流出電機(jī)，經(jīng)繞阻產(chǎn)生的磁場方向為（A，－B）。由A和－B的合磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到AB位置。同樣，霍爾器件又會輸出一個不同的值，控制電路作出相應(yīng)的處理，完成一個完整的換相周期。

2 模型搭建

根據(jù)上述原理簡介可知，無刷電機(jī)由一組PWM信號驅(qū)動。PWM信號按霍爾元件傳送的位置信號決定其通斷狀態(tài)，以驅(qū)動電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)；而PWM信號占空比可用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在Stateflow中創(chuàng)建狀態(tài)圖，模型共設(shè)置PWM1～6六路PWM信號，并以按鍵key的值控制電機(jī)的開關(guān)，由此可得無刷電機(jī)的狀態(tài)圖，如圖3所示。

圖3 無刷電機(jī)狀態(tài)圖

MotorOff子狀態(tài)中，將6路PWM信號的占空比調(diào)至0，以達(dá)到關(guān)閉電機(jī)的作用，如圖4所示。

圖4 MotorOff子狀態(tài)

MotorOn子狀態(tài)與MotorOff子狀態(tài)基本類似，不同之處在于：模型接收霍爾元件傳送回的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，并以此判斷PWM信號的通斷。當(dāng)霍爾元件返回值為1時，第2、6路PWM信號導(dǎo)通；值為2時，第3、4路PWM信號導(dǎo)通；值為3時，第2、4路PWM信號導(dǎo)通；值為4時，第1、5路PWM信號導(dǎo)通；值為5時，第1、6路PWM信號導(dǎo)通；值為6時，第3、5路PWM信號導(dǎo)通。

Stateflow狀態(tài)圖中的變量pinsel0、pinsel1、io0dir為芯片設(shè)置位，pwmmr0～pwmmr6聯(lián)合控制PWM輸出，sensor表示霍爾器件的值，key控制電機(jī)是否工作，變量speed用于接收外部的控制信號（例如電位器和ADC），調(diào)節(jié)PWM占空比，實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

完成Stateflow狀態(tài)圖之后，再配合Simulink中的庫模塊即可完成如圖5所示的算法模型。當(dāng)key＝1，電機(jī)處于打開狀態(tài)時，若霍爾傳感器狀態(tài)為1，則第2和第6路PWM信號導(dǎo)通，輸出512。信號占空比是由pwmmr0～pwmmr6聯(lián)合控制的，pwmmr0已將PWM波的周期定義為1 024，則輸出512即表示占空比為1：1，這證明算法模型達(dá)到了預(yù)期目的。

圖5 算法模型

3 代碼快速生成

RTW生成實時代碼的過程大致可分為成4個階段：

①用戶在 MATLAB／Simulink／Stateflow建立算法模型。

②TLC目標(biāo)語言編譯器讀取.rtw文件中的信息，將模型轉(zhuǎn)化成源代碼。

③生成指定目標(biāo)的代碼。

④連接開發(fā)目標(biāo)程序所需的環(huán)境。

由上述過程可知，需要對模型作部分修改。圖5所示模型中，設(shè)計者需要將各個信號源模塊和顯示器模塊替換為輸入／輸出端口模塊，這樣才能在生成的代碼中為硬件預(yù)留數(shù)據(jù)接口。在模型配置頁面中需要將硬件類型指定為ARM compatible，求解器設(shè)置為離散型，RTW中的模板文件設(shè)置為ert.tlc。

完成上述設(shè)置后，將模型保存為arm＿BLDC.mdl，按下模型工具欄的按鈕即可生成代碼。如果計算機(jī)上已經(jīng)安裝了TASKING IE FOR ARM軟件，并與MATLAB平臺正確關(guān)聯(lián)后，系統(tǒng)會自動生成工程，并編譯生成可執(zhí)行文件，非?？旖莘奖?。未安裝該軟件的用戶可用自己熟悉的IDE自行創(chuàng)建工程并加入自動生成的C代碼，之后對ert＿main.c文件的代碼作部分修改（有注釋的部分為修改內(nèi)容）：

BLDC控制模型利用了芯片中的PWM發(fā)生和ADC功能，因此還需要這兩個模塊的初始化代碼。將初始化代碼保存為BLDC＿init.c并加入到工程中即可進(jìn)行編譯。

4 虛擬硬件測試

在Proteus7.7平臺下，可以方便地對設(shè)計進(jìn)行虛擬硬件測試。根據(jù)前述原理簡介，不難搭建如圖6所示的Proteus硬件原理圖。左側(cè)的按鍵控制電機(jī)的運(yùn)行／停止，電位器與ADC控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；中部為三相電橋，分別與電機(jī)的三相相連；下方是由3個IR2112構(gòu)成的放大電路；上方為示波器。

在LPC2124芯片中加載編譯生成的hex文件進(jìn)行測試，即可正確實現(xiàn)對電機(jī)的控制。

結(jié) 語

圖6 Proteus硬件原理圖

基于模型設(shè)計為設(shè)計者提供了一個通用的開發(fā)與測試平臺，可將算法模型自動轉(zhuǎn)換為嵌入式C代碼，大大降低嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的門檻，設(shè)計者可輕松生成優(yōu)化的自定義C代碼，縮短了開發(fā)周期，避免了過多的人為錯誤。

在開發(fā)過程的各個環(huán)節(jié)都進(jìn)行不斷的測試，與傳統(tǒng)方法相比，測試得更為徹底，并且在后期更進(jìn)行了Proteus虛擬硬件測試，進(jìn)一步確保了設(shè)計的可靠性。

這種由概念到實現(xiàn)的開發(fā)方式在國外已經(jīng)有廣泛應(yīng)用，本文也對其優(yōu)勢有所論述，相信該方法在國內(nèi)會受到越來越多的青睞。

［1］劉杰.基于模型的設(shè)計及其嵌入式實現(xiàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［2］The MathWorks，Inc.Simulink for Simulation and Model－Based Design，2011.

［3］The MathWorks，Inc.Embedded Coder 6Getting Started Guide，2011.

［4］The MathWorks，Inc.Embedded Coder 6User's Guide，2011.

［5］The MathWorks，Inc.Stateflow 7 Getting Started Guide，2011.

［6］The MathWorks，Inc.Stateflow 7 User's Guide，2011.

［7］風(fēng)標(biāo)電子.http：／／www.windway.cn.

［8］The Labcenter Electronics，Inc.Intelligent Schematic Input System User Manual Issue 6.0，2002.