1 模型仿真與實際應用之間的區別

MBD（Model-Based Design，基于模型的設計）是通過模型生成代碼的，所有我們有必要弄清楚模型仿真與實際應用之間的區別。

仿真模型與實際應用之間的區別本質上是理論與實踐之間的差別，其中的差別可以說是兩個完全不同的話題。

這里又給大家更新三篇與電機控制實踐相關的文章。它們是由NXP的工程師編寫的電機控制應用筆記，可以在NXP官網找到，也可以在對話框中回復關鍵詞“ NXP應用筆記 ”，即可收到相應資源。

這三篇應用筆記分別是：

• 3-Phase Sensorless PMSM Motor Control Kit with S32K144
• 3-Phase Sensorless BLDC Motor Control Kit with S32K144
• 3-phase Sensorless Single-Shunt Current-Sensing PMSM Motor Control Kit with MagniV MC9S12ZVM

*NXP電機控制應用筆記 * - From autoMBD

前兩篇分別以PMSM和BLDC為主題，介紹如何實現無感FOC控制；第三篇講的是單電阻無感控制方案，實現的也是FOC算法，軟件實現上是有一些區別的，也要復雜一些。

Tips ：第三篇是基于MagniV MC9S12ZVM的，而不是S32K144，參考這篇文章時，主要學習的是單電阻電機控制方案，這個方案也是完全可以移植到S32K1xx系列上的。

無感控制比有感控制要復雜，將無感的方案稍加改造就可以做出有感的控制方案，所以這三篇應用筆記是很有實踐參考價值的。

這三篇應用筆記給的都是 純代碼開發的方案 ，即介紹了工程實踐中如何從數學原理一步一步實現電機控制，主要內容包括：

1. 電機控制數學原理
2. 電流、電壓采樣輸入和驅動輸出
3. MCU模塊資源的使用
4. 底層驅動配置和初始化
5. 電機控制軟件架構（狀態機、電機控制庫、MCAT等）

下面的這個框圖可以較為全面的展示 第1~4點在電機控制中的實際體現 ：系統從外部硬件（電機、逆變器、預驅芯片）起，經過信號采集，再到MCU的外設模塊（白色方塊），再到底層驅動（SDK Driver/橙色方塊），然后進入到FOC的軟件算法部分（綠色方塊），而FOC的輸出經底層驅動、再到外設模塊（FTM模塊）輸出到預驅芯片，從而實現控制。第5點則是調度上述過程的狀態機，關于第5點后文會更一步的講解。

*NXP電機控制軟硬件框圖 * - From NXP

從這五點我們就能引出我們要討論的問題： 模型仿真與實際應用之間的區別到底有哪些 ？

簡單的說，模型仿真只能觸及上述的第1點；如果對建模有更深入的研究，第2點也能做仿真，這部分實際上和硬件電路設計有關，所以很少有在模型仿真中考慮這一點；第3、4、5點就是完全的非理論了，與嵌入式、編程和芯片有較強的關聯，是實實在在的實踐過程。

所以，在袁雷的《現代永磁同步電機控制原理及MATLAB仿真》中是完全不包括第2~5點的內容的。

以電流采樣電阻為例，實際應用場景中，為了測量電流信號的方向，一般會對采樣電阻進行偏置處理。NXP開發的DEVKIT驅動板相電流采樣電阻為例，其電路設計如下圖所示：

*DEVKIT驅動板相電流采樣電阻 * - From NXP

可以看到，偏置電壓為參考電壓的一半，所以最終輸入到芯片ADC的電壓是以偏置電壓為中心對稱的。

根據大于偏置電壓還是小于偏置電壓，可以判定電流是正方向還是負方向。所以在信號處理中還需要將這個偏置電壓減去。

關于電流采樣，還有布置方式的不同，常見的采樣電阻布置方式有以下這些：

• 三電阻下橋臂采樣/相電流采樣
• 雙電阻下橋臂采樣/相電流采樣
• 單電阻母線采樣

Tips ：這里列舉了常見采樣電阻布置方式，一般應用中下橋臂采樣較多，相電流采樣多用于高性能、高效率電機控制的場合，而單電阻母線采樣是成本最低，但采樣方式最復雜的。

不同的布置方式，采集的電流是不同的，而控制算法是需要全部的三相電流的。三個采樣電阻可以直接得到三相電流信號，如何通過一個電阻或者兩個電阻得到三相電流數據，也是有方法的。

雙電阻相對來說較為簡單，根據 三相電流和為零 ，可以直接求解出第三相電流。單電阻采樣的場景要復雜很多，具體可以參考 上述的第三篇應用筆記 。

以上關于電流采樣的所有方法，在模型仿真中都沒有考慮，只是一根信號線連接到控制器 ，這就是理論仿真和實踐的巨大區別所在，如下圖所示（摘自袁雷的《現代永......仿真》）：

*仿真模型示例 * - From 袁雷

Tips ：因為我們要使用MBD的開發方法，所以這里不再深入詳細展開講其他的區別，以后有需要的地方再做提示，有興趣的讀者可以自行參閱上述三篇NXP的應用筆記。

當我們了解了所有理論與實踐之間的區別，輔以嵌入式開發和編程的基礎，一個簡單的電機控制項目就可以實現。

即使是一個產品級的電機控制軟件，也只是再補充通信、故障診斷、功能安全等其他需求的功能。復雜度可能會高很多，但開發和設計的本質框架就是這樣的。

2 MBD拉近模型仿真****與實際應用之間的距離

如果要更加嚴謹地說，上面討論的也只是電機控制算法部分的工程實踐。一個完整的產品應用，硬件設計和 軟件設計 。硬件設計可以交給硬件工程師，我們把重點放在軟件設計上。

上面三篇應用筆記中提到的電機控制實現方案，是屬于軟件設計的一部分。傳統的開發中，就需要將選定的電機控制方案 轉化為一行行的代碼 ，這就又涉及到數學（理論）到編程語言（實踐）之間的轉換。入門門檻高，同時效率也較低。

Tips ：以我自己的經歷為例，上述應用筆記內容的代碼實現過程，我是完整的走過一遍的。我從對嵌入式一無所知，到學習嵌入式的基本模塊和開發方法，再到能寫一些基本的嵌入式代碼，花費了3個月的時間，然后又花了差不多1個月的時間，才實現了一個簡單的電機控制嵌入式程序。這還是我對電機控制理論有了足夠的基礎之后的開發效率。

但利用MBD的開發方法，我們可以大大簡化這一步驟。模型我們是比較容易得到的， 利用模型直接生成代碼，能有效地縮近理論和實踐直接的距離 。更多MBD相關的內容，請參考本公眾號 前面幾期內容 ，或者在對話框中回復關鍵詞“ MBD入門 ”。

*MBD的開發流程 * - From ST

如果讀了上述三篇應用筆記，就可以發現，嵌入式軟件設計很多是可以通過建模的方式實現的。這里簡單的把軟件設計分為五類，它的軟硬件層級如下圖所示（軟件為虛線框部分）：

*電機軟硬件層級示例 * - From autoMBD

下面是這五類軟件關于MBD建模實現的分析：

• 底層驅動 ，MCU、硬件電路強相關

底層驅動是和芯片和硬件電路設計緊密相關的，比如硬件引腳（Pin腳、外設、端口等）使用的不一樣，底層驅動的配置也就不一樣了。

原則上底層驅動是可以通過芯片廠商提供的MBD硬件支持包來實現的，但從靈活性和效率的角度來說，目前建議通過專門的底層驅動配置工具來配置底層驅動，例如NXP適用于S32K1系列的配置工具Processor Expert。

• 數字信號處理 ，硬件電路弱相關

數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）是將真實世界中的物理量（模擬量，例如電流、電壓等）轉換為控制器需要的量的過程。

還是以電流采樣為例，在前文給的電流采樣電路基礎上，ADC讀到的電壓實際上是一個12 bit的整數，需要將其進行偏置消除以及物理量轉換等操作，有必要的話會需要進行濾波處理。

可以看到，這個過程和硬件電路設計有一定的聯系，硬件設計的不一樣，處理的細節可能存在一定的差異。但基本的信號處理方法是相通的，例如濾波器、積分、微分、移位運算、邏輯運算等。

這一過程是可以通過建模的方式實現，并且信號處理越復雜，模型的優勢就更明顯，畢竟模型很容易搭建，代碼寫起來就很費勁了。

所以我們可以把軟件設計中的這一部分納入到MBD中，通過建模的方式自動生成代碼。

• 電機控制算法 ，硬件電路弱相關

數據信號處理后，將得到的數據傳遞到電機控制算法中。控制算法中一般包括坐標變換、PI控制器、FOC、SVPWM等環節。電機控制算法會得到一個控制輸出量，一般是三相的占空比。

這些環節使用Simulink內置的模塊，或者使用芯片廠商提供的MBD硬件支持包，是可以很方便快捷的實現的。這部分如果要編寫代碼，對初學者來說，甚至對有一定編程基礎的人來說，都算是不小的挑戰。

此外建模可以很方便地調整控制算法的結構，開發初期這是很常見的。手寫代碼的話，每一次調整結構就需要重復工作一遍，效率很低。

因此電機控制算法部分是很適合通過建模生成代碼來實現的。

這里解釋一下電機控制算法****為什么是硬件電路弱相關 。一般來說，通用的電機控制算法是可以做到與硬件電路無關的。

但在某些場景下，例如有的芯片具有硬件加速模塊，或者使用一些特殊的控制算法（無感和有感就有硬件上的差異），可能會影響控制算法的執行，所以電機控制算法和硬件有一定的關聯。

• 狀態機 ，與硬件電路無關

狀態機是與硬件電路完全無關的，而且在Simulink中提供的****Stateflow是專門用于狀態控制建模的工具 ，用它開發狀態機效率可以提高一個檔次。所以狀態機使用MBD來實現也是毫無問題的。

• 其他軟件 ，例如通信、失效檢查等，暫時我們不考慮這部分內容

從上面的分析來看，除開底層驅動，其他軟件部分均可以通過MBD建模的方式實現，并且能大大提高效率。

下圖是較為常見的V型開發流程，參考這個流程就可以開發一個基于MBD的電機控制軟件。

*V型開發流程 * - From ST