基于模型的無刷電機控制代碼快速生成

引言

隨著軟硬件技術的不斷發(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。

基于模型的設計方法利用Mathworks提供的一系列工具，可直接實現(xiàn)從設計理念到算法模型，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)無刷電機控制（BLDC），設計者無需考慮如何將電機狀態(tài)的變換用C或匯編語言體現(xiàn)，僅需關注算法本身，將繁瑣的代碼生成工作交給計算機完成。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

直流無刷電機的工作離不開電子開關電路，因此由電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關電路3部分組成了直流無刷電機的控制系統(tǒng)，其結構框圖如圖1所示。直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測轉子所處的位置，并根據(jù)位置信號來控制開關管的導通和截止，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　無刷電機控制系統(tǒng)結構框圖

下面以一個三相繞組的無刷電機為例，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子位置信號?？刂齐娐窌鶕?jù)位置信號決定6路PWM信號的通斷，進而使功率管導通或關斷，使繞阻按一定順序?qū)?，?qū)動電機連續(xù)旋轉。

當采用二相導通方式驅(qū)動電機時，功率管的導通或關斷情況經(jīng)過1/6周期(即60°)。在直流無刷電機的內(nèi)部嵌有3個霍爾位置傳感器，它們在空間上相差120°。由于電機的轉子是永磁體，當它在轉動的時候，其磁場將發(fā)生變化形成旋轉磁場，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

假設當前功率管V1、V6導通，則電流從A相流入電機，從C相流出電機，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)生的轉矩使轉子轉動到AC位置。轉子的轉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)整功率管的導通情況，將V6關斷，V5導通。這時，電流從A相流入電機，從B相流出電機，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)生的轉矩使轉子轉動到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)動電機連續(xù)旋轉；而PWM信號占空比可用于調(diào)節(jié)電機轉速。在Stateflow中創(chuàng)建狀態(tài)圖，模型共設置PWM1~6六路PWM信號，并以按鍵key的值控制電機的開關，由此可得無刷電機的狀態(tài)圖，如圖3所示。

圖3　無刷電機狀態(tài)圖

MotorOff子狀態(tài)中，將6路PWM信號的占空比調(diào)至0，以達到關閉電機的作用，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轉子位置信號，并以此判斷PWM信號的通斷。當霍爾元件返回值為1時，第2、6路PWM信號導通；值為2時，第3、4路PWM信號導通；值為3時，第2、4路PWM信號導通；值為4時，第1、5路PWM信號導通；值為5時，第1、6路PWM信號導通；值為6時，第3、5路PWM信號導通。

Stateflow狀態(tài)圖中的變量pinsel0、pinsel1、io0dir為芯片設置位，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key=1，電機處于打開狀態(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，這證明算法模型達到了預期目的。

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。
② TLC目標語言編譯器讀取.rtw文件中的信息，將模型轉化成源代碼。
③ 生成指定目標的代碼。
④ 連接開發(fā)目標程序所需的環(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，求解器設置為離散型，RTW中的模板文件設置為ert.tlc。

完成上述設置后，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。如果計算機上已經(jīng)安裝了TASKING IE FOR ARM軟件，并與MATLAB平臺正確關聯(lián)后，系統(tǒng)會自動生成工程，并編譯生成可執(zhí)行文件，非常快捷方便。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）：

……
#include "LPC2124.h"/*添加LPC2124頭文件*/
extern void PWM_Init(void);/*聲明外部函數(shù)PWM_Init*/
extern void AD_Read(void);/*聲明外部函數(shù)AD_Read*/
……//模型輸入口與硬件相關聯(lián)
arm_BLDC_U.In1=(IO0PIN&0x03800000)>>23;
arm_BLDC_U.In2=(IO0PIN&0x8000)>>15;
……//模型輸出口與硬件相關聯(lián)
PINSEL0=arm_BLDC_Y.Out1;
PINSEL1=arm_BLDC_Y.Out2;
IO0DIR=arm_BLDC_Y.Out3;
PWMMR0=arm_BLDC_Y.Out4;
PWMMR1=arm_BLDC_Y.Out5;
PWMMR2=arm_BLDC_Y.Out6;
PWMMR3=arm_BLDC_Y.Out7;
PWMMR4=arm_BLDC_Y.Out8;
PWMMR5=arm_BLDC_Y.Out9;
PWMMR6=arm_BLDC_Y.Out10;
PWMLER=arm_BLDC_Y.Out11;
……
int_T main(int_T argc, const char_T *argv[]);
int_T main(int_T argc, const char_T *argv[]){
/* Initialize model */
arm_BLDC_initialize();
PWM_Init();//調(diào)用PWM_Iint()
ADCR=0x002E0401;//ADC初始化
/* Simulating step behavior */
while (rtmGetErrorStatus(arm_BLDC_M) == (NULL)) {
AD_Read();//調(diào)用A/D_Read()
arm_BLDC_U.In3=(ADDR>>6) & 0x3FF;// AD結果賦值到In3口
rt_OneStep();//調(diào)用rt_OneStep()
}
……//刪除printf與fflush代碼
……

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行編譯。

#include"LPC2124.h"
void PWM_Init(void){//初始化LPC2124芯片的PWM功能
PWMPR=1200; //設置分頻系數(shù)
PWMMR0=1024;//PWMMR0~PWMMR6控制初始占空比
PWMMR1=PWMMR2=PWMMR3=PWMMR4=PWMMR5=PWMMR6=0;
PWMMCR=0x00000002; //重置MR0時鐘
PWMPCR=0x7E00; //使能PWM1~PWM6輸出
PWMLER=0x7F; //使能PWM0~PWM6鎖存
PWMTCR=0x09; //使能PWM模式并啟動定時器
}
void AD_Read(void){
ADCR=(ADCR&0x00FFFF00)|0x01|(1<<24);//設置通道1，并進行第1次轉換
while((ADDR&0x80000000)==0);//等待轉換結束
ADCR &=~0x01000000;//停止轉換
}

4　虛擬硬件測試

在Proteus7.7平臺下，可以方便地對設計進行虛擬硬件測試。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。左側的按鍵控制電機的運行/停止，電位器與ADC控制電機轉速；中部為三相電橋，分別與電機的三相相連；下方是由3個IR2112構成的放大電路；上方為示波器。

圖6　Proteus硬件原理圖

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

結語

基于模型設計為設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，并且在后期更進行了Proteus虛擬硬件測試，進一步確保了設計的可靠性。

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。