基于模型的高级电机控制系统设计

最近几十年来，借助高级处理器功能来简化设计一直都是广泛讨论的话题。如今，设计灵活性进一步提高，使工程师能够采用标准的MATLAB和Simulink模型设计来优化电机控制系统，并缩短整体设计时间。此外，设计工程师还能够重复使用仿真模型，确保系统在终端市场应用中具有正确的功能和所需性能。

基于模型的设计(MBD)经过数十年的探讨，直到最近几年才发展为完整的设计流程：从模型创建到完整实现。在1970年代，仿真可采用模拟计算平台，但是控制硬件却只能借助晶体管实现。2000年代仿真工具的发展迎来了图形化控制原理图输入工具和控制设计工具，大大简化了复杂的控制设计和评估任务。但是，控制系统设计师仍然需要编写C语言来开发硬件控制算法，以反映仿真设计的情况。本世纪初，完整的MBD能够实现仿真平台和硬件实现平台的通用控制设计，把复杂控制算法迅速运用至硬件平台。

图1 – 设计发展史与设计能力

MBD是指在整个开发过程中使用一个系统模型作为可执行规范。与传统基于硬件原型的设计方法相比，基于仿真的方法有助于更好地理解设计备选方案和权衡要素，从而能够优化设计，达到预定的性能标准。设计师无需使用复杂的结构和大量软件代码，通过连续时间和离散时间构建模块，就可以定义具有高级功能特性的各种模型。将现有C代码与标准控制库模块整合，可实现设计效率最大化。这些与仿真工具一同使用的模型能够缩短原型设计、软件测试和硬件回路(HIL)仿真的时间。通过仿真，我们能够立即发现各种规范差异和模型误差，不会等到设计周期的后续环节才发现。在硬件平台上运行相同算法时，自动代码生成省去了手动步骤。这可简化设计过程、减少硬件设计实现过程的错误，并缩短整体上市时间。

图2 – MBD设计流程

MBD过程有多个步骤可优化整体设计中的各项任务。这些任务可由不同的设计工程师或设计团队完成，然后组合在一起形成整体设计和完整的系统。借助此方法，各项任务可在更高的抽象层进行设计，从而针对给定的最终应用优化整体设计流程。总而言之，MBD使设计师能够从更多经典设计方案开始扩展，以可控方式直接从模型创建转到仿真、代码生成和HIL测试，无需重新设计整个系统就可对系统行为做出递增改变。

在图3中，我们以直观的方式显示MBD流程的不同设计阶段和每个步骤的范围。这些步骤共同描述了MBD的“标准”流程。以电机控制设计为例，该流程包括：

● 运行概念

○ 电机系统的整体功能

● 工厂建模/系统架构

○ 电机、负载、功率电子设备、信号调理等设备的模型开发。

● 控制器建模和要求

○ 三相永磁电机基于编码器的磁场定向控制

● 分析和综合 – 详细设计

○ 上述创建模型用于确定工厂模型的动态特性

○ 系统调谐和配置

● 验证和测试

○ 离线仿真和/或实时仿真

○ 动态系统时间响应调查

● 嵌入式目标实施过程 – 全面运行

○ 自动代码生成

○ 测试和验证

○ 更新控制器模型