隨著軟硬件技術(shù)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(yīng)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(shè)計(jì)方法利用Mathworks提供的一系列工具，可直接實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)控制(BLDC)，設(shè)計(jì)者無需考慮如何將電機(jī)狀態(tài)的變換用C或匯編語言體現(xiàn)，僅需關(guān)注算法本身，將繁瑣的代碼生成工作交給計(jì)算機(jī)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(jī)的工作離不開電子開關(guān)電路，因此由電動機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)電路3部分組成了直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。直流電源通過開關(guān)電路向電動機(jī)定子繞組供電，位置傳感器隨時檢測轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)位置信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而自動地控制哪些繞組通電、哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)了電子換相。
圖1 無刷電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
下面以一個三相繞組的無刷電機(jī)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(zhuǎn)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(jìn)而使功率管導(dǎo)通或關(guān)斷，使繞阻按一定順序?qū)?，?qū)動電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)采用二相導(dǎo)通方式驅(qū)動電機(jī)時，功率管的導(dǎo)通或關(guān)斷情況經(jīng)過1/6周期(即60°)。在直流無刷電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，當(dāng)它在轉(zhuǎn)動的時候，其磁場將發(fā)生變化形成旋轉(zhuǎn)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(shè)當(dāng)前功率管V1、V6導(dǎo)通，則電流從A相流入電機(jī)，從C相流出電機(jī)，由電流經(jīng)繞阻產(chǎn)生的磁場方向?yàn)?A,C)。由A和C的合磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到AC位置。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(dǎo)通情況，將V6關(guān)斷，V5導(dǎo)通。這時，電流從A相流入電機(jī)，從B相流出電機(jī)，經(jīng)繞阻產(chǎn)生的磁場方向?yàn)?A,B)。由A和B的合磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(yīng)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(jī)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(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn);而PWM信號占空比可用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在Stateflow中創(chuàng)建狀態(tài)圖，模型共設(shè)置PWM1~6六路PWM信號，并以按鍵key的值控制電機(jī)的開關(guān)，由此可得無刷電機(jī)的狀態(tài)圖，如圖3所示。
圖3 無刷電機(jī)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(dá)到關(guān)閉電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，并以此判斷PWM信號的通斷。當(dāng)霍爾元件返回值為1時，第2、6路PWM信號導(dǎo)通;值為2時，第3、4路PWM信號導(dǎo)通;值為3時，第2、4路PWM信號導(dǎo)通;值為4時，第1、5路PWM信號導(dǎo)通;值為5時，第1、6路PWM信號導(dǎo)通;值為6時，第3、5路PWM信號導(dǎo)通。
Stateflow狀態(tài)圖中的變量pinsel0、pinsel1、io0dir為芯片設(shè)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(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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(dāng)key=1，電機(jī)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(dǎo)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(dá)到了預(yù)期目的。
圖5 算法模型3代碼快速生成
RTW生成實(shí)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(biāo)語言編譯器讀取.rtw文件中的信息，將模型轉(zhuǎn)化成源代碼。
③ 生成指定目標(biāo)的代碼。
④ 連接開發(fā)目標(biāo)程序所需的環(huán)境。
