圖1：設計發展史和設計能力

 

基於模型的設計 (MBD) 經過數十年的探討


，直到最近幾年才發展為完整的設計流程：從模型創建到完整實現。在 1970 年代，仿真可采用模擬計算平台，但是控製硬件卻隻能借助晶體管實現。2000 年代仿真工具defazhanyinglailetuxinghuakongzhiyuanlitushurugongjuhekongzhishejigongju，dadajianhualefuzadekongzhishejihepinggurenwu。danshi，kongzhixitongshejishirengranxuyaobianxie C 語言來開發硬件控製算法，以反映仿真設計的情況。本世紀初，完整的 MBD 能夠實現仿真平台和硬件實現平台的通用控製設計，把複雜控製算法迅速運用至硬件平台。

 

圖2：MBD設計流程

 

MBD 是(shi)指(zhi)在(zai)整(zheng)個(ge)開(kai)發(fa)過(guo)程(cheng)中(zhong)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)係(xi)統(tong)模(mo)型(xing)作(zuo)為(wei)可(ke)執(zhi)行(xing)規(gui)範(fan)。與(yu)傳(chuan)統(tong)基(ji)於(yu)硬(ying)件(jian)原(yuan)型(xing)的(de)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)相(xiang)比(bi)
，基(ji)於(yu)仿(fang)真(zhen)的(de)方(fang)法(fa)有(you)助(zhu)於(yu)更(geng)好(hao)地(di)理(li)解(jie)設(she)計(ji)備(bei)選(xuan)方(fang)案(an)和(he)權(quan)衡(heng)要(yao)素(su)，從(cong)而(er)能(neng)夠(gou)優(you)化(hua)設(she)計(ji)，達(da)到(dao)預(yu)定(ding)的(de)性(xing)能(neng)標(biao)準(zhun)。設(she)計(ji)師(shi)無(wu)需(xu)使(shi)用(yong)複(fu)雜(za)的(de)結(jie)構(gou)和(he)大(da)量(liang)軟(ruan)件(jian)代(dai)碼(ma)，通(tong)過(guo)連(lian)續(xu)時(shi)間(jian)和(he)離(li)散(san)時(shi)間(jian)構(gou)建(jian)模(mo)塊(kuai)，就(jiu)可(ke)以(yi)定(ding)義(yi)具(ju)有(you)高(gao)級(ji)功(gong)能(neng)特(te)性(xing)的(de)各(ge)種(zhong)模(mo)型(xing)。將(jiang)現(xian)有(you) C 代碼與標準控製庫模塊整合，可實現設計效率最大化。這些與仿真工具一同使用的模型能夠縮短原型設計、軟件測試和硬件回路 (HIL) 仿(fang)真(zhen)的(de)時(shi)間(jian)。通(tong)過(guo)仿(fang)真(zhen)
，我(wo)們(men)能(neng)夠(gou)立(li)即(ji)發(fa)現(xian)各(ge)種(zhong)規(gui)範(fan)差(cha)異(yi)和(he)模(mo)型(xing)誤(wu)差(cha)
，不(bu)會(hui)等(deng)到(dao)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)的(de)後(hou)續(xu)環(huan)節(jie)才(cai)發(fa)現(xian)。在(zai)硬(ying)件(jian)平(ping)台(tai)上(shang)運(yun)行(xing)相(xiang)同(tong)算(suan)法(fa)時(shi)
，自(zi)動(dong)代(dai)碼(ma)生(sheng)成(cheng)省(sheng)去(qu)了(le)手(shou)動(dong)步(bu)驟(zhou)。這(zhe)可(ke)簡(jian)化(hua)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)

、減少硬件設計實現過程的錯誤，並縮短整體上市時間。
 

MBD guochengyouduogebuzhoukeyouhuazhengtishejizhongdegexiangrenwu。zhexierenwukeyoubutongdeshejigongchengshihuoshejituanduiwancheng，ranhouzuhezaiyiqixingchengzhengtishejihewanzhengdexitong。jiezhucifangfa
，gexiangrenwukezaigenggaodechouxiangcengjinxingsheji，congerzhenduigeidingdezuizhongyingyongyouhuazhengtishejiliucheng。zongeryanzhi，MBD 使設計師能夠從更多經典設計方案開始擴展
，以可控方式直接從模型創建轉到仿真、代碼生成和 HIL 測試，無需重新設計整個係統就可對係統行為做出遞增改變。

 

圖3：MBD實現的概念

 

在圖 3中

，我們以直觀的方式顯示 MBD 流程的不同設計階段和每個步驟的範圍。這些步驟共同描述了 MBD 的“標準”流程。以電機控製設計為例
，該流程包括：

1、運行概念

2、電機係統的整體功能

3、工廠建模/係統架構

4

、電機
、負載、功率電子設備、信號調理等設備的模型開發

5
、控製器建模和要求

6、三相永磁電機基於編碼器的磁場定向控製

7、分析和綜合 – 詳細設計

8、上述創建模型用於確定工廠模型的動態特性

9、係統調諧和配置

10
、驗證和測試

11、離線仿真和/或實時仿真

12、動態係統時間響應調查

13、嵌入式目標實施過程 – 全麵運行

14、自動代碼生成

15、測試和驗證

16

、更新控製器模型

 

圖4：MBD設置

 

以yi上shang可ke構gou成cheng調tiao整zheng整zheng體ti設she計ji的de多duo步bu驟zhou方fang法fa，並bing且qie可ke單dan獨du分fen析xi每mei個ge控kong製zhi步bu驟zhou。軟ruan硬ying件jian規gui範fan完wan成cheng後hou，就jiu可ke針zhen對dui整zheng個ge係xi統tong的de具ju體ti算suan法fa和he功gong能neng部bu署shu建jian立li完wan整zheng的de係xi統tong架jia構gou(參見圖4 )。可ke對dui控kong製zhi器qi和he工gong廠chang模mo型xing的de仿fang真zhen過guo程cheng進jin行xing評ping估gu，還hai可ke對dui不bu涉she及ji硬ying件jian的de算suan法fa離li線xian開kai發fa過guo程cheng進jin行xing合he理li構gou建jian並bing微wei調tiao，從cong而er達da到dao整zheng個ge係xi統tong的de性xing能neng要yao求qiu。對dui於yu初chu始shi生sheng成cheng的de代dai碼ma，無wu論lun是shi“重複使用”的現有代碼還是由代碼生成工具生成的代碼，均可在嵌入式控製器中實施，以便將 PC 上的係統仿真情況與硬件目標的實際實現數據進行對比。設計師在定義 MBD 的(de)平(ping)衡(heng)結(jie)構(gou)時(shi)，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)模(mo)型(xing)的(de)複(fu)雜(za)度(du)。不(bu)過(guo)，某(mou)個(ge)平(ping)衡(heng)概(gai)念(nian)實(shi)現(xian)之(zhi)後(hou)，也(ye)可(ke)以(yi)快(kuai)速(su)更(geng)改(gai)設(she)計(ji)內(nei)的(de)獨(du)立(li)模(mo)型(xing)
，使(shi)整(zheng)個(ge)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)獲(huo)得(de)更(geng)準(zhun)確(que)的(de)結(jie)果(guo)。

本文采用的實驗設置是基於ADI公司的 ARM CortexTM-M4 混合信號控製處理器
，它與 IAR 和 MathWorks 公司的組合工具一同使用，實現 MBD 平台。上述每個步驟都可直接鏈接至可用工具和整個實現過程。

 

圖5：Mathworks和IAR係統優勢
 

參見圖5，每條工具鏈都具有使用價值。在 MBD 中，設計師必須選擇如何平衡使用這些工具鏈與獨立 MBD 平台創造的全部價值二者之間的關係。

 

圖6：實施環境
 

對於目標平台，實時開發環境現可適用於建模
、仿真、評估、部署和優化整個係統的性能和功能。這一切都基於 MBD hepinghengxuanzexitongcanshu，congershixuyaotedingyouhuadeshejijuyouyiliudelinghuoxing。zheshidexitongdekekuozhanmoxingdeyishixian，jineryouzhuyudaimadeshiyonghezhongfushiyong，zhexiedaimakeyijiyuxianyoujiudaimahuogongneng，yekeyijiyubiaozhun C 的全新構建模塊或圖形化功能(Simulink/MATLAB 模型對應完整的仿真和實施階段)。不僅從軟件角度來看可以更改整體設置
，而且在為係統開發出正確的設備驅動程序之後
，設計師也可更改最終應用或係統的資源
、硬件元件和整個應用軟件。此外
，還能夠實時控製整個係統的時序，所以直接借助此環境就可實現係統調度最優化。

 

圖7：驅動係統框圖
 

仔細觀察這個典型的驅動係統框圖
，便可直觀地了解此架構的功能。我們可以優化“驅動係統”中(zhong)的(de)每(mei)個(ge)要(yao)素(su)，並(bing)著(zhe)重(zhong)關(guan)注(zhu)對(dui)最(zui)終(zhong)係(xi)統(tong)最(zui)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)要(yao)素(su)。舉(ju)例(li)來(lai)說(shuo)
，如(ru)果(guo)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)和(he)數(shu)值(zhi)範(fan)圍(wei)最(zui)重(zhong)要(yao)，則(ze)應(ying)著(zhe)重(zhong)關(guan)注(zhu)與(yu)電(dian)氣(qi)控(kong)製(zhi)和(he)功(gong)率(lv)係(xi)統(tong)結(jie)合(he)的(de)機(ji)械(xie)係(xi)統(tong)。可(ke)綜(zong)合(he)運(yun)用(yong)仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)和(he)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)來(lai)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)行(xing)為(wei)
，共(gong)同(tong)實(shi)現(xian)“即時”youhua。lingyifangmian
，ruguozaoshengganraojiangdilexitongdezhengtixiaolvshuiping，zekeyizaikekuozhanlvboqiheguanceqizhongshiyongqiceliangzhi，zuidachengdudijianshaoyingjianzaoshengwentiyishixianzuijiazhuangtai。zhenduisuoyouyinsujianmobingshoujixiangguanshujuzhihou，jiukeyikaishishishijieduandezuihouyibu，ermubiaoxitongdewanzhengshixianjieduanyikechengweixianshi。

 

圖8：實現與編譯
 

通過 MBD 設計流程和 MathWorks 與 IAR
，可對代碼進行編譯，並使整體模型得以實現。“驅動係統”模型的每個階段或要素都可通過 MATLAB 和 Simulink 模型來表示，該模型已調整至符合最優設計標準的適當水平。模型中的每個要素均基於 MathWorks 的de標biao準zhun工gong具ju箱xiang和he模mo塊kuai集ji
，在zai特te定ding設she計ji中zhong可ke以yi與yu任ren何he要yao素su一yi同tong重zhong複fu使shi用yong。這zhe些xie要yao素su還hai可ke表biao示shi驅qu動dong係xi統tong的de不bu同tong域yu，並bing且qie均jun可ke進jin行xing微wei調tiao，以yi便bian最zui大da程cheng度du減jian少shao模mo型xing相xiang對dui於yu實shi施shi的de誤wu差cha。通tong過guo實shi時shi實shi施shi方fang法fa並bing在zai此ci混hun合he環huan境jing下xia編bian譯yi，還hai可ke將jiang現xian有you手shou寫xie C 代碼與由 Embedded Coder(嵌入式編碼器)生成並經過 ARM Cortex M4 優化的 C 代碼相結合。Embedded Coder是一款適用於 MATLAB 和 Simulink 的生產代碼生成工具。整個過程使得用戶能夠正確地重複使用現有的電機控製設計知識。此時，IAR 嵌入式工作台可獲取生成的代碼
，並對 ARM Cortex M4 的完整項目進行編譯，這也表示此係統的 MBD 實現階段結束。

 

圖9：處理數據及仿真數據
 

自 MBD 問世以來
，人們就一直在質疑其相較於傳統係統開發的性能和功能，以及係統整體資源的使用效率。經過元件供應商、仿真和實施供應商以及工具編譯器供應商的不懈努力，現如今 MBD 已經與傳統實施方式不相上下。當然

，任何為實時係統編寫和開發代碼的過程均可能效率低下，這取決於所使用的實現方法。借助 MBD
，可以將性能分析、交叉優化選項以及安全關鍵係統開發的強大優勢組合在一起
，從而盡可能減少代碼開發費用，實現最高性能。MathWorks 會按照 IEC 61508、ISO 26262 和相關功能安全標準對嵌入式編碼器進行工具資格驗證。
 

在標準設計流程中
，實現這一係列功能要困難得多。在上述例子中，標準磁場定向控製 (FOC) 模型在ADI公司的 ADSP-CM40x 係列上實現。該模型的位置反饋和電流環路反饋的執行時間為 15 us，並且可對電流方案和調試設備進行實時分析。該模型還可追蹤整個 FOC 方案的功能性。可以對 MBD 仿真結果和實時數據進行評估，並與理想的係統功能和目標規格進行比較。因此，設計師能夠不斷提高係統效率、功能和性能
，還能評估信號鏈中指定要素或組件的表現與目標規格的差異情況。
 

本文介紹了一種采用 MBD 構建電機控製係統的“新”方法。如今的嵌入式處理器必須在性能、成本和尺寸幾方麵取得平衡

，以便能夠開發和運用更高抽象層的圖形工具
，從而縮短上市時間
，提高安全性、性能以及可擴展性，為獲得高度優化的係統打下基礎。

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