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 年代仿真工具的de發fa展zhan迎ying來lai了le圖tu形xing化hua控kong製zhi原yuan理li圖tu輸shu入ru工gong具ju和he控kong製zhi設she計ji工gong具ju，大da大da簡jian化hua了le複fu雜za的de控kong製zhi設she計ji和he評ping估gu任ren務wu。但dan是shi，控kong製zhi係xi統tong設she計ji師shi仍reng然ran需xu要yao編bian寫xie 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 shizhizaizhenggekaifaguochengzhongshiyongyigexitongmoxingzuoweikezhixingguifan。yuchuantongjiyuyingjianyuanxingdeshejifangfaxiangbi，jiyufangzhendefangfayouzhuyugenghaodilijieshejibeixuanfanganhequanhengyaosu
，congernenggouyouhuasheji
，dadaoyudingdexingnengbiaozhun。shejishiwuxushiyongfuzadejiegouhedaliangruanjiandaima，tongguolianxushijianhelisanshijiangoujianmokuai，jiukeyidingyijuyougaojigongnengtexingdegezhongmoxing。jiangxianyou 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) fangzhendeshijian。tongguofangzhen
，womennenggoulijifaxiangezhongguifanchayihemoxingwucha，buhuidengdaoshejizhouqidehouxuhuanjiecaifaxian。zaiyingjianpingtaishangyunxingxiangtongsuanfashi
，zidongdaimashengchengshengquleshoudongbuzhou。zhekejianhuashejiguocheng、減少硬件設計實現過程的錯誤，並縮短整體上市時間。
 

MBD 過guo程cheng有you多duo個ge步bu驟zhou可ke優you化hua整zheng體ti設she計ji中zhong的de各ge項xiang任ren務wu。這zhe些xie任ren務wu可ke由you不bu同tong的de設she計ji工gong程cheng師shi或huo設she計ji團tuan隊dui完wan成cheng，然ran後hou組zu合he在zai一yi起qi形xing成cheng整zheng體ti設she計ji和he完wan整zheng的de係xi統tong。借jie助zhu此ci方fang法fa，各ge項xiang任ren務wu可ke在zai更geng高gao的de抽chou象xiang層ceng進jin行xing設she計ji，從cong而er針zhen對dui給gei定ding的de最zui終zhong應ying用yong優you化hua整zheng體ti設she計ji流liu程cheng。總zong而er言yan之zhi

，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 和he平ping衡heng選xuan擇ze係xi統tong參can數shu，從cong而er使shi需xu要yao特te定ding優you化hua的de設she計ji具ju有you一yi流liu的de靈ling活huo性xing。這zhe使shi得de係xi統tong的de可ke擴kuo展zhan模mo型xing得de以yi實shi現xian，進jin而er有you助zhu於yu代dai碼ma的de使shi用yong和he重zhong複fu使shi用yong，這zhe些xie代dai碼ma可ke以yi基ji於yu現xian有you舊jiu代dai碼ma或huo功gong能neng，也ye可ke以yi基ji於yu標biao準zhun 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”優(you)化(hua)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，如(ru)果(guo)噪(zao)聲(sheng)幹(gan)擾(rao)降(jiang)低(di)了(le)係(xi)統(tong)的(de)整(zheng)體(ti)效(xiao)率(lv)水(shui)平(ping)
，則(ze)可(ke)以(yi)在(zai)可(ke)擴(kuo)展(zhan)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)觀(guan)測(ce)器(qi)中(zhong)使(shi)用(yong)其(qi)測(ce)量(liang)值(zhi)
，最(zui)大(da)程(cheng)度(du)地(di)減(jian)少(shao)硬(ying)件(jian)噪(zao)聲(sheng)問(wen)題(ti)以(yi)實(shi)現(xian)最(zui)佳(jia)狀(zhuang)態(tai)。針(zhen)對(dui)所(suo)有(you)因(yin)素(su)建(jian)模(mo)並(bing)收(shou)集(ji)相(xiang)關(guan)數(shu)據(ju)之(zhi)後(hou)
，就(jiu)可(ke)以(yi)開(kai)始(shi)實(shi)施(shi)階(jie)段(duan)的(de)最(zui)後(hou)一(yi)步(bu)，而(er)目(mu)標(biao)係(xi)統(tong)的(de)完(wan)整(zheng)實(shi)現(xian)階(jie)段(duan)亦(yi)可(ke)成(cheng)為(wei)現(xian)實(shi)。

 

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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