基于模型的无刷电机控制代码快速生成.pdf

基 于模 型 的无刷 电机控 制代码快速 生成 周 宇博。刘杰(福州大学 物理与信息工程学院，福州 3 5 0 0 0 3)摘 要：基 于模 型设 计是 国外 流行 的一种 先进 的嵌入 式 系统 开发 方式。以无刷 直流 电机 为例，利 用 开发 工 具 S i mu l i n k、S t a t e f l o w、Re a l Ti me Wo r k s h o p(RTW)等，可在 MATLAB平 台实现其算 法模型。经验证正确后直接 生成嵌入式代码，用户仅 需作 少量代码微调 即可在 P r o t e u s中进行 虚拟 硬件 测试。该 方法无 需设计 者精通各 种编程语 言，只需 了解设 计 规 范与 实现原理，极 大地 降低 了嵌 入式 系统 开发难度，缩短 了开发周期，并且能够保证代码 的高效性、可靠性。关键 词：基 于模型 设计；代码快速 生成；S t a t e f l o w；Re a l Ti me Wo r k s h o p 中图分类号：TP 3 3 2 文献标识码：A Mo del Ba s ed Ra pi d Cod e Gen er a t i o n f or Br u s h l es s DC Mo t o r Co n t r ol l i n g Zh o u Yu b o，Li u J i e (Co l l e g e o f P h y s i c s I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，Fu z h o u Un i v e r s i t y，Fu z h o u 3 5 0 0 0 2。Ch i n a)Ab s t r a c t：Thi s pa p e r pr o vi d e s a n e w me t ho d f o r e mb e dd e d s y s t e m de v e l op me nt Ta ki n g BLDC c o nt r o l l i ng f or ex a mpl e，t h e a l g or i t hm mod e l c a n b e ac hi e v e d o n t he M ATLAB pl a t f o r m us i ng Si mu l i nk，St a t e f l o w a nd Re a lTi me W o r ks ho p pr o duc t s RTW wi l l g e ne r a t e e mb e d d e d c o d e a f t e r t h e v a l i d a t i o n o f a l g o r i t h m mo d e l，a n d t h e o n l y t h i n g t h a t d e s i g n e r s n e e d t o d o i s a s ma l l a mo u n t o f t u n i n g o f t h e c o de Vi r t ua l ha r dwa r e t e s t i n g i n Pr o t e us i s ne c e s s a r y t o g ua r an t e e r e l i a b i l i t y o f t he c ode Th i s me t h od d o e s no t n e e d d e s i gn e r s t o be pr of i c i e nt i n pr o g r a mmi ng La ng ua ge，bu t s i mpl y t o un de r s t a nd t h e s p e c i f i c a t i on of t h e de s i g n a n d wa y t o a c h i e ve i t I t h a s b e e n p r o v e d t ha t Thi s met h od c a n n ot onl y s i gn i f i c a nt l y r e du c e t h e di f f i c ul t y a nd t i me i n e mbe dde d s ys t e m d e v e l opmen t，bu t a l s o e ns u r e t he e f f i c i e nc y a nd r e l i ab i l i t y Ke y wor ds：mo de l b a s e d de s i g n；r a p i d c o de ge n e r a t i on；St a t e f l ow；Re a l Ti me W o r ks hop 引 言 随着软 硬件技 术 的 不断 发展，以及用 户 对 产 品安 全 性，可靠性 的要求，嵌入式 应用 的开发 难度 与代 码体 积都 在迅速增加，传 统的基于文本 的开发方式 已经越来 越难 以 满足这种 高性能与快节奏研发 的要求。基 于模 型的设 计方法利 用 Ma t h wo r k s提供 的一 系列 工具，可直接 实现从 设计 理念 到算法 模 型，再 由模 型 自动 生成嵌 入 式 代 码 的 高 效 开 发 流 程。对 于 本 例 来 说，在 L P C 2 1 2 4芯片上实现无 刷 电机控制(B L DC)，设计 者无 需 考虑如何将 电机 状 态的 变换 用 C或 汇编 语言 体 现，仅 需 关注算法本 身，将 繁琐 的代 码 生成工 作交 给计算 机完 成。这样可 以大 大缩短 产品开发周期，显著提高工作效率。1 原 理分 析 直流无刷 电机 的工作 离不 开电子开关 电路，因此 由电 动机本体、转子位置传感器 和电子开关 电路 3部分组成 了 直 流无刷 电机的控制系统，其结构框图如图 1 所示。直流 电源通过 开关 电路向电动机定子绕组 供电，位置传感器 随 时检测转子所处 的位置，并 根据位置 信号来控制开关管 的 导通 和截 止，从 而 自动地控 制哪 些绕组通 电、哪 些绕组 断 电，实现 了电子换相。图 1 无 刷 电 机 控 制 系统 结构 框 图 下面 以一个 三相绕组 的无刷 电机 为例，简要介绍其 _1：作原理。图 2为三相全桥式驱动 电路原理 图，对其采用二 相通 电的方式驱动，即有两个 绕阻 同时通 电。图中包 含(；个 晶体管、二极管组成 的三相逆 变电路，Ha、Hb、Hc为霍 尔元件反馈 的转子位 置信号。控制 电路会根 据位 置信号 决定 6路 P WM 信号 的通 断，进 而使功率 管导 通或 关断，使绕阻按一定顺序导通，驱动 电机连续旋转。当采用二相导通方式驱动 电机时，功率管的导通或关 p a p e r m e s n e t c o m c i1(投稿专用)2 0 1 2年第3期 平 机 嵌入式 系 忱应 阳 专 题 论 述 断情况经过 1 6周期(即 6 0。)。在直流无刷电机的内部嵌 有 3个霍 尔位置传感 器，它们 在空间上相差 1 2 0。由于电 机 的转子是永磁体，当它 在转动 的时候，其磁场将 发生 变 化形成旋转磁场，每个霍尔传感器都会产生 1 8 0。脉宽 的输 出信号。图 2 三相 全 桥 式 驱 动 电 路 原 理 图 假设 当前功率管 V1、V6导通，则 电流从 A相 流入 电 机，从 C相 流 出电机，由 电流 经绕 阻 产 生 的磁 场 方 向为(A，一 C)。由 A和一 C的合磁 场 产生 的转 矩使 转子 转动 到 AC位置。转子的转动使 霍尔传感 器 的输 出发生变 化，控 制 电路会据此调整功率管 的导通情况，将 V6关 断，V5导 通。这 时，电流从 A相 流人 电机，从 B相 流 出电机，经绕 阻产生的磁场方 向为(A，一 B)。由 A和一 B的合磁场产生 的 转 矩使转 子转动到 AB位 置。同样，霍尔器件又会输 出一 个不同的值，控制 电路 作 出相 应 的处 理，完成 一个 完整 的 换 相周期。2 模型搭建 根据上述原理简介 可知，无刷 电机 由一组 P WM 信号 驱动。P WM 信号按 霍 尔元件 传送 的位 置信 号决 定 其通 断状态，以驱动 电机 连续旋 转；而 P WM 信号 占空 比可用 于调节电机转速。在 S t a t e l o w 中创建状 态 图，模 型共设 置 P WM1 6六路 P WM 信号，并 以按键 k e y的值 控制 电 机的开关，由此可得无刷 电机 的状态 图，如 图 3所示。图 3无刷 电机 状 态 图 Mo t o r O 子状态 中，将 6 路 P WM 信号的 占空 比调至 0，以达到关 闭电机 的作用，如图 4所示。图 4 Mo t o r Off子 状 态 Mo t o r On子状态与 Mo t o r Of f 子状 态 基本类 似，不 同 之处在于：模 型接 收霍 尔元 件传 送 回的 电机转 子 位置 信 号，并 以此判断 P WM 信号 的通断。当霍尔元件返 回值为 1时，第 2、6 路 P WM 信号导通；值 为 2时，第 3、4路 P WM 信 号导通；值 为 3时，第 2、4路 P WM 信 号导 通；值 为 4 时，第 1、5 路 P WM 信号 导通；值为 5时，第 1、6路 P WM 信号导通；值 为 6 时，第 3、5 路 P WM 信号导通。S t a t e f l o w状态 图 中 的变量 p i n s e l 0、p i n s e l l、i o 0 d i r为 芯片设 置 位，p wmmr 0 p wmmr 6联合 控 制 P WM 输 出，s e n s o r表示 霍尔器 件 的值，k e y控制 电机 是否工 作，变量 s p e e d用于接收外部 的控制信号(例如电位器和 ADC)，调 节 P WM 占空 比，实现电机调速。完成 S t a t e f l o w状 态 图之 后，再 配合 S i mu l i n k中的库 模块即可完成 如 图 5所示 的算 法模 型。当 k e y 一 1，电机 处于打开状态时，若霍尔传感器状态为 1，则第 2和第 6路 P WM 信号导 通，输 出 5 1 2。信号 占空 比是 由 p wmmr 0 p wmmr 6联合控制 的，p w mmr 0已将 P WM 波的周期定义 为 1 0 2 4，则输 出 5 1 2即表示 占空 比为 1：1，这证 明算法模 型达到 了预期 目的。p i me l O +DO u t l p i n s e l l -C O u t 2 s e n s o r i o O d i r 匝j 0 u t 3 p wmmr O 叫 4 O u t 4 电 固 囝 d p w m mr 6 圆 p wml s r Di s p l a,Ou t l 1 Ch a r t 图 5 算法模型 3 代码快速 生成 RTw 生成实时代码的过程大致可分为成 4个 阶段：用 户 在 MATLAB S i mu l i n k S t a t e f l o w 建 立 算 法 模 型。T L C 目标语言编译器读取 r t w文件 中的信息，将 模 型转化成 源代码。2 Mi c r o c o n t r o l l e r s E m b e d d e d S y s t e ms 2 0 1 2年 第 3期 w WW me s n e t c o m c n 生成指 定 目标的代码。连接 开发 目标程序所需 的环境。由上述过程可 知，需 要对模 型作部分修改。图 5所 示 模 型 中，设计者需要将各个 信号源模块和显示器模块替 换 为输入 输 出端 口模块，这样 才能 在生 成 的代 码 中为硬 件 预留数据接 口。在模 型配 置页面 中需要 将硬 件类 型指 定 为 ARM c o mp a t i b l e，求解 器设 置 为离散 型，RTw 中 的模 板文件设置 为 e r t t l e。完成上述设置 后，将模 型保存 为 a r m B LDC md l，按 下模型工具栏 的幽 按钮 即可生成 代码。如 果计算 机上 已 经 安装 了 TAS KI NG I E F OR ARM 软件，并与 MATL AB 平 台正确关联后，系统 会 自动生成 工程，并编译 生 成可 执 行 文件，非常快捷方便。未安装该 软件的用户可用 自己熟 悉 的 I DE自行创 建工 程并 加入 自动生 成 的 C代码，之后 对 e r tma i n C 文件的代码作部分修改(有 注释的部分为修 改 内容)：#i n c l u d e”L P C 2 1 2 4 h”*添加 L P C 2 1 2 4头文件*e xt e r n v oi d PW MI n i t(v o i d)；*声 明外部 函数 P WM I n i t*e x t e r n v o i d AD _ R e a d(v o i d)；*声 明外部 函数 AD R e a d*模型输入 口与硬件相关联 armBLDCU I n 1 一(I OO PI Ng 0 x 0 3 8 0 0 0 0 0)2 3；armBLDCU I n 2 一(I O0 Pl Ng a 0 x 8 0 0 0)1 5；模型输 出 口与硬件相关联 PI NSEL0一 a r mBLDCY Ou t l；PI NSEL1一 a r mBLDCY Out 2；I OO DI R a r mBLDCY Out 3；PW M M R0一 a r mBLDCY Out 4；PW M M R1 一 a r mBLDCY Out 5；PW M M R2一 a r mBLDCY Out 6；PW M M R3一 a r mBLDCY Out 7；PW M M R4一 a r mBLDCY Out 8；PW M M R5一 a r mBLDCY 0ut 9；PW M M R6一 a r mBLDCY 0ut l 0；PW M LER=a r mBLDCY Out l 1；i ntT ma i n(i n tT a r g c，c o ns t c ha rT*a r g v E )；i ntT ma i n(i n tT a r g e，c o ns t c ha rT*a r g v )一|*I n i t i a l i z e mo d e l*armBLDCi n i t i a l i z e()；PW MI n k()；调 用 P W M I i n t()AD C R一0 x 0 0 2 E 0 4 0 1；A DC初始 化|*S i mu l a t i n g s t e p b e h a v i o r*wh i l e(r t mGe t Er r o r S t a t u s(a r mBLDCM)一 一(NUL L)ADRe a d()；调 用 A D_ Re a d()a r m B LDC U I n 3 一(ADDR 6)&0 x 3 F F；rtOne St e p()；删除 p r i n t f 与 f f l u s h代码 A D结果赋值到 I n 3口 f 讽 再 r t On e S t e p(B L DC控制模型利 用 了芯片 中的 P wM 发生 和 AD(功能，因此还需要这两个模块 的初始化代码。将初始化代 码保存为 B L D C i n i t C 并加入到工程 中即可进行编译。#i nc l u de”LPC21 2 4h”v o i d PW MI n i t(v o i d)初始化 L P C 2 1 2 4芯片的 P WM 功能 P WMP R=1 2 0 0；设置分频系数 PW M M R0 10 2 4：P WMMR0 P WMMR6 控制初始 PW M M R1一 PW M MR2一 PW M M R3一 PW M M R4 占空 比 PW M MR5一 PW M M R6：0：P WMMC R=0 x 0 0 0 0 0 0 0 2；重 置 MR0时钟 P WMP C R=0 x 7 E 0 0；使 能 P wM1 P WM6输出 P wML E R一0 x 7 F；使 能 P wMO P wM6锁存 P WMTC R=0 x 0 9；使 能 P WM 模式并启动定时器 v o i d AD Re a d(v o i d)ADCR一(ADCR&0 x 0 0 F FF F 0 0)l 0 x 0 1 l(1 2 4)；设置通道 1，并进行第 1次转换 w h i l e(AD D R8 L 0 x S 0 0 0 0 0 0 0)一一o)；等待转换结束 A D C R 8 L 一0 x 0 1 0 0 0 0 0 0；停止转换，4虚拟硬件测试 在 P r o t e u s 7 7平 台 下，可 以方 便地 对设 计 进行 虚 拟 硬件测试。根 据 前述 原 理简 介，不 难搭 建 如 图 6所 示 的 Pr o t e u s硬件原理图。左侧的按键控制 电机 的运行 停 止，电位器 与 A D C控制 电机转速；中部为三相 电桥，分别与电 机 的三相 相连；下方是 由 3个 I R2 1 1 2构成 的放大 电路；上 方 为示 波器。在 L P C 2 1 2 4 芯片 中加载编译生成 的 h e x文件进行 测 试，即可正确实现对电机的控制。结 语 基 于模型设计为设计者 提供 了一个 通用 的开发 与测 试平 台，可将 算法模 型 自动转 换为嵌 入式 C代 码，大 大降 p a p e r m e s n e t o o m c n(投稿专用)2 0 1 2年第3 期 平 机 嵌入式彖 皖应 冈 3 6 1 至，2 9 5 7 V2 萋 荽 c n DL 亏_H。3 3 V 昔 3 0 V ；V 告 广 7 互 S D H l S D -H 2 5 l 2 一 4 3 苎 V4l 2 上L 1 V5 1 2 】-L 2 2 3 d LI N LO L L0 6 3 4 8 lu：I Z U Zl l 1 7 、V，11殳8 A P1 P2l02T1R PA玎C，EEsSTYANTCO 互 I I_。_-_-_-_一 4 9 广 5 8 30 V Vl 8 u 2_ ，J【!一 5 0 菇 鲁 H I N V C V B 4 2 H 3 2 5 至=1 1 S D 五 l 8 V S S r p l V一61 2 L I N LO H 1 2 l 6 V S S P 1 2 9 T C Kr z w x o l V S S P 1 3 O，r MS 旦 Q M P 1 3 1 币丽 韭 l 2 I R 一 P LC21 2 4 图 6 P r o t e u s硬 件 原 理 图 低嵌 入式 系统开发的门槛，设计 者可 轻松生成优化 的 自定 义 C代码，缩短了开发周期，避免了过多的人 为错误。在开 发过程 的各个 环节 都进 行 不 断的测试，与传 统方 法相 比，测 试 得更 为彻 底，并 且在 后 期 更 进 行 了 P r o t e u s虚拟硬件 测 试，进 一 步确 保 了设计 的可靠性。这种 由概 念到 实现 的开 发方 式 在 国外 已经 有 广泛 应 用，本 文 也 对 其优 势有 所 论 述，相 信 该 方 法 在 国 内会受 到越来越 多的青 睐。参考文献 1 3刘杰 基于模型 的设计及其嵌入式实 现E M 北京：北 京航 空航 天大学 出 版 社，2 0 1 0 2 T h e Ma t h Wo r k s，I n c S i mu l i n k f o r Si mul a t i o n a nd M od e l-Ba s e d De s i g n，2O1 1 r 3 T h e Ma t h W o r k s，I n e E mb e d d e d Co de r 6 Ge t t i n g St a r t e d Gui d e，2 O1 1 4 T h e Ma t h Wo r k s，I n c E mb e d d e d C o-de r 6 Us e r S Gu i de，20 11 5 Th e Ma t h Wo r k s，I n c S t a t e fl o w 7 Ge t t i ng St a r t e d Gui de，2 01 1 6 Th e Ma t h Wo r k s，I n c S t a t e fl o w 7 Us e r S Gui d e，201 1 7 风 标 电 子 h t t p：ww w w i n d w a y c n 8 3 T Ih e L a b c e n t e r E l e c t r o n i c s，I n c I n t e l l i g e nt Sc he ma t i c I np ut Sys t e m Us e r Mi a n ua l I s s ue 6 0，2 00 2 周宇 博(硕 士 生)主 要 研究 领城 为 基于 模 型 的 设 计 零 豫 及 应 用。责任躺辑：高珍藏缡 期：2 0 I l q0-H)A t me l 技术助力三星 F o c u s F I a s h和 F 0 C U IS S智能手机触摸屏 爱特梅 尔公 司(A t me l C o r p o r a t i o n)宣布，三星电子 已经选择爱特梅 尔的 ma XT O u c h E系列解 决方案助 力新 型三 星 F o c u s F l a s h 1 6 7 7和三星 F o c u s S 1 9 3 7 智 能手机。三星 F o c u s F l a s h采用 Wi n d o ws 7 5 Ma n g o OS，带有 3 7英寸 S u p e r A MD)L E D显 示器，采 用爱特梅 尔的 E系列实现 触摸功 能，可以显示更丰富的 色彩。三星 F o c u s S则采用 Wi n d o,s 7 0S，带有采用爱特梅 尔 E系列技 术 的 S u p e r AMOLE D触 摸 屏，通 过 整 个 多 点 触摸 用 户界 面提 供 色彩 鲜 明 的 影 院 品 质 图像。ma)T o u c h E系列提供 完整的 高性能单芯 片控制器组合，专为满足不同尺寸触摸屏 和应用要 求 而设 计。E系列具备 最新 的电 容式触摸 引擎(C T E)，实现全新噪 声消除和噪 声抑制 能力，提高 了业界标杆。新产品更大地改进触摸屏各个方面的性能，包括提供 更高精度的触摸感测、更快的响应速度、更低 的功耗和更薄 的外形。采用爱特梅 尔 ma X T o u c h E系列技 术，用户将体验更低的产品功耗、更 高的信噪 比、更高的准确度(包括 减少 了无 意触摸)、更 明亮的显示屏和更好的防潮性能，即便使 用噪声较 大的充电器仍然可以 出色地运作，并具有更广泛的 面板选择。此外，E 系列甚 至 可以检测到最轻微的触摸，包括指 甲和主动与被 动导电笔的触摸。4 Mi c r o c o n t r o l l e r s E mb e d d e d S y s t e m s 2 0 1 2年 第 3期 W WW me s n e t c o m c n