基于模型的線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)測試研究*

胡麗楠，陳國金，陳慧鵬，金紹勛

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

目前，市場上含有嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品已經(jīng)深入到工作、生活的方方面面。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的工作流程主要分為相互獨(dú)立的需求分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與測試4 個(gè)階段。其開發(fā)流程中技術(shù)規(guī)范采用電子文檔或者紙質(zhì)文檔描述系統(tǒng)對象，系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)人員常存在理解偏差，同時(shí)在實(shí)現(xiàn)階段通常需要手工編寫代碼，因此工作效率低，同時(shí)，不可避免地會(huì)引入人為失誤。而且，上述問題在最后的測試階段才能發(fā)現(xiàn)，這樣不但會(huì)增加成本而且會(huì)延誤開發(fā)周期?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)為工程師們提供了一種通用的開發(fā)與測試平臺(tái)，使得傳統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)的4 個(gè)階段有機(jī)結(jié)合在一起，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中一系列的測試和驗(yàn)證可以保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)、查找并修改系統(tǒng)存在的錯(cuò)誤［1-3］。

本研究通過搭建基于模型的設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，建立線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制模型并對其進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的仿真測試。

1 基于模型的設(shè)計(jì)及其仿真平臺(tái)

1.1 基于模型的設(shè)計(jì)

基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)過程以一個(gè)系統(tǒng)為模型中心，通過模型提煉出可執(zhí)行的規(guī)范，進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真及代碼自動(dòng)生成、測試與驗(yàn)證［4-5］?？蓤?zhí)行的規(guī)范是系統(tǒng)級模型，是被控對象和控制系統(tǒng)的統(tǒng)一描述，能夠與設(shè)計(jì)的目標(biāo)清晰地溝通，并且允許通過仿真對規(guī)范要求進(jìn)行可行性和兼容性分析。

基于模型的設(shè)計(jì)是一種快速、高效的開發(fā)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的方法，相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)流程，它的優(yōu)勢在于:

(1)模型是可執(zhí)行的規(guī)范，取代了紙質(zhì)文檔規(guī)范，在整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)過程中遵循統(tǒng)一環(huán)境下的統(tǒng)一模型，通過仿真計(jì)算，在設(shè)計(jì)初期就可以針對設(shè)計(jì)思想進(jìn)行驗(yàn)證;

(2)在統(tǒng)一的開發(fā)測試平臺(tái)上，允許產(chǎn)品從需求分析階段就開始驗(yàn)證，并做到持續(xù)不斷的驗(yàn)證與測試，通過仿真、驗(yàn)證和測試，可以考察系統(tǒng)不同組件對整個(gè)系統(tǒng)的影響，在開發(fā)過程中確保系統(tǒng)的性能指標(biāo);

(3)采用自動(dòng)代碼生成技術(shù)，擺脫繁瑣的代碼編寫和調(diào)試工作，開發(fā)者把主要精力放在算法和測試方法的研究上，嵌入式代碼的生成和驗(yàn)證過程則留給計(jì)算機(jī)自動(dòng)去完成。

1.2 基于模型的仿真平臺(tái)

目前國際上主流的基于模型設(shè)計(jì)的軟件主要有SCADE 和Matlab，并且它們都成功地應(yīng)用于大型項(xiàng)目的開發(fā)上［6］。Matlab 是美國MathWorks 公司出品的商業(yè)化數(shù)學(xué)軟件，用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)仿真。MathWorks 公司還為Matlab 提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具Simulink，Simulink 提供了高效、易用、開放的模塊化建模環(huán)境，鼓勵(lì)協(xié)作，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)工具的不足［7］。因此，本研究使用Matlab/Simulink 建立相應(yīng)的電機(jī)測試控制模型。MathWorks 經(jīng)過和TI 公司多年的合作，共同開發(fā)出了嵌入式代碼集成開發(fā)Embedded Coder 統(tǒng)一模塊，使得針對目標(biāo)板嵌入式代碼開發(fā)更具統(tǒng)一性、系統(tǒng)性和完整性。目前，Matlab 支持TI C2000、C5000、C6000 系列芯片，鑒于TI C2000 在控制領(lǐng)域強(qiáng)大的優(yōu)勢，本研究采用C2000 系列作為處理芯片。在C2000 系列芯片中，由于TMS320 F28335 芯片為浮點(diǎn)構(gòu)架，與其他DSP 控制芯片相比，DSP 程序運(yùn)算性能優(yōu)越、編程結(jié)構(gòu)簡單、代碼長度短、運(yùn)算精度高［8］。因此，本研究采用TMS320 F28335 作為硬件仿真平臺(tái)。

1.3 基于模型的設(shè)計(jì)流程

基于Simulink 和TMS320 F28335 仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程如下:

(1)根據(jù)需求分析建立相應(yīng)的Simulink 系統(tǒng)模型;

(2)對模型進(jìn)行編譯下載并生成代碼，將所生成的代碼下載到目標(biāo)板上;

(3)目標(biāo)板對模型代碼進(jìn)行運(yùn)行、測試與驗(yàn)證。

2 轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制模型的建立

2.1 Stateflow 邏輯控制模型

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，TMS320 F28335 目標(biāo)板接收并處理方向盤轉(zhuǎn)角信號，轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)從TMS320 F28335 目標(biāo)板中獲取經(jīng)過控制算法處理后的轉(zhuǎn)向執(zhí)行指令，完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)向動(dòng)作。為方便對轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)進(jìn)行測試，這里采用角度傳感器代替方向盤組件。目標(biāo)開發(fā)板模擬量接收的范圍為0～3 V，筆者設(shè)置1.5 V為轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)正反轉(zhuǎn)基準(zhǔn)，通過將實(shí)際的模擬量和1.5 V 基準(zhǔn)進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換為角度傳感器轉(zhuǎn)角矢量θ。Stateflow 通過對θ 進(jìn)行分析，判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)向。角度傳感器轉(zhuǎn)角矢量θ、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)電壓控制模擬量Voltage 和高、低電平Logical_level 有如下關(guān)系:

式(1)為分段式邏輯控制，通過Simulink 中的Stateflow 邏輯建?？梢詫?shí)現(xiàn)。Stateflow 是有限狀態(tài)機(jī)的圖形實(shí)現(xiàn)工具，它使用流程圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖等概念，用以解決復(fù)雜的監(jiān)控邏輯問題［9］。用戶可以通過圖形化工具實(shí)現(xiàn)在不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，Stateflow 通常直接嵌入到Simulink 仿真模型中并在仿真初始化階段將邏輯圖形通過編譯程序轉(zhuǎn)換成C 語言，使兩者有機(jī)地結(jié)合在一起［10］。角度傳感器轉(zhuǎn)角矢量θ、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)電壓控制模擬量Voltage 和高、低電平Logical_level 之間的邏輯關(guān)系通過Stateflow 搭建邏輯圖形如圖1所示。

圖1 Stateflow 邏輯控制圖

2.2 Simulink 主機(jī)模型和目標(biāo)機(jī)模型

針對轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的測試建立的Simulink 目標(biāo)機(jī)模型如圖2所示。其中的Stateflow block 模塊即為邏輯控制模塊。由于F28335 內(nèi)部進(jìn)行的運(yùn)算都是數(shù)字量運(yùn)算，為了方便地進(jìn)行邏輯判斷以及給出模擬量輸出，需要在模型中根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換自行封裝設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和數(shù)模轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，通過direction_excute 模塊輸出高低電平。另外，為方便在電腦主機(jī)中實(shí)時(shí)觀測到相關(guān)的數(shù)據(jù)，本研究在模型中添加串口發(fā)送模塊SCI Transmit，將角度傳感器輸出電壓、角度傳感器轉(zhuǎn)角矢量和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)模擬控制電壓分別發(fā)送給電腦主機(jī)進(jìn)行觀測。

圖2 Simulink 目標(biāo)機(jī)模型

Simulink 主機(jī)模型包括串口接收模塊SCI Receive、串口通訊設(shè)置模塊SCI Setup 和顯示模塊，它的主要功能是實(shí)時(shí)接收采集目標(biāo)機(jī)傳遞過來的信號并進(jìn)行監(jiān)控和分析。其模型圖如圖3所示。

圖3 Simulink 主機(jī)模型

3 轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)測試驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)測試

本研究在完成轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制模型的建立的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了測試和驗(yàn)證，主要包括對電腦主機(jī)、仿真器、目標(biāo)板、角度傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)和直流電源的測試，對Simulink 轉(zhuǎn)向電機(jī)控制模型進(jìn)行編譯、自動(dòng)代碼生成、連接并下載到目標(biāo)板上，角度傳感器的角度變化即為轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制信號源。為方便對角度傳感器輸出電壓、傳感器角度矢量以及目標(biāo)板電機(jī)控制電壓的實(shí)時(shí)獲取，本研究在目標(biāo)機(jī)模型中設(shè)置串口通信模塊將上述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互并在電腦主機(jī)端實(shí)時(shí)接收并動(dòng)態(tài)顯示。這樣既可以保證在測試過程中目標(biāo)板接收模擬量不超過量程，另外也可將所得的數(shù)據(jù)和實(shí)際電機(jī)工作情況進(jìn)行對比。

3.2 測試結(jié)果分析

轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)測試過程中電腦主機(jī)通過串口通信接收到的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 電機(jī)測試對應(yīng)數(shù)據(jù)圖

從圖4所示的傳感器輸出電壓和角度傳感器轉(zhuǎn)角矢量曲線對比可知，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度傳感器改變輸出電壓信號時(shí)，角度傳感器轉(zhuǎn)角矢量大小也將發(fā)生變化。通過模型中設(shè)置的對應(yīng)算法轉(zhuǎn)換使得電機(jī)控制電壓產(chǎn)生對應(yīng)的輸出。因?yàn)檗D(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的模擬電壓控制量為0～2 V，當(dāng)電機(jī)控制電壓超過2 V 的時(shí)候則達(dá)到飽和值維持不變直到其小于2 V。當(dāng)傳感器輸出電壓低于1.5 V時(shí)，角度傳感器轉(zhuǎn)角矢量方向隨之發(fā)生變化，從而使得輸出高低電平發(fā)生變化，進(jìn)而控制電機(jī)改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

4 結(jié)束語

本研究通過基于模型的設(shè)計(jì)對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)進(jìn)行測試，在Simulink 環(huán)境中搭建了電機(jī)的控制模型，將模型編譯、下載到目標(biāo)板中進(jìn)行測試與驗(yàn)證。所得到的數(shù)據(jù)以及測試效果表明，通過采用基于模型的設(shè)計(jì)對轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)進(jìn)行測試，避免了對目標(biāo)板人工編寫程序代碼，從而縮短了測試及開發(fā)周期，同時(shí)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)能夠在本研究所建立的電機(jī)控制模型控制作用下正常工作，為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究提供了理論基礎(chǔ)。

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