MATLAB/Simulink的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)C代碼生成※

周丹，曾宇航

（1.西南科技大學(xué)，綿陽(yáng)621010；2.重慶大學(xué)）

引 言

電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中有著舉足輕重的地位，為了使電機(jī)適應(yīng)不同的工況，需要開(kāi)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)其轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行有效快速的控制。但是傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是一個(gè)復(fù)雜而繁瑣的過(guò)程，本文介紹一種相對(duì)簡(jiǎn)單的電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程。利用MATLAB/Simulink搭建異步電機(jī)的矢量控制模型完成控制參數(shù)的調(diào)整，在MATLAB環(huán)境下將已建好的控制模型配合TI DSP芯片完成控制模型的仿真開(kāi)發(fā)和代碼生成，最后根據(jù)整個(gè)模型繪制電路板，完成硬件電路，驗(yàn)證仿真模型及生成代碼的正確性與系統(tǒng)的可行性。

1 直流電機(jī)MATLAB/Simulink仿真模型

1.1 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型

根據(jù)圖1所示的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)造出直流電機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的模型。

圖1 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

由于在實(shí)際硬件設(shè)計(jì)中，可以用光電碼盤(pán)直接測(cè)算轉(zhuǎn)速，所以無(wú)需將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓，直接將測(cè)算轉(zhuǎn)速作為反饋量與給定轉(zhuǎn)速相對(duì)比，完成整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程，構(gòu)造的仿真模型略——編者注。

完成仿真模型的構(gòu)建后進(jìn)行仿真試驗(yàn)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷霓D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)能力和抗干擾能力，包括恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)仿真和恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)仿真。仿真結(jié)果分別如圖2和3所示。

（1）恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速仿真

轉(zhuǎn)矩給定為30 N/m，初始轉(zhuǎn)速為500 rpm，到2 s時(shí)階躍至1000 rpm，到4 s時(shí)再次階躍到500 rpm。

（2）恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩仿真

圖2 恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

圖3 恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

轉(zhuǎn)速給定為500 rpm，初始轉(zhuǎn)矩為30 N/m，到2 s時(shí)階躍至300 N/m，到4 s時(shí)再次階躍到30 N/m。

根據(jù)以上仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)具有較好的調(diào)節(jié)速度和準(zhǔn)確度，但是由于是單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，紋波系數(shù)較大，不過(guò)用于驗(yàn)證和演示，其波動(dòng)范圍尚在可接受范圍內(nèi)，所以可以根據(jù)此模型構(gòu)建MATLAB代碼自動(dòng)生成模型并進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 MATLAB配置

為實(shí)現(xiàn)MATLAB自動(dòng)生成CCS代碼，首先要完成MATLAB對(duì)于CCS的路徑配置和相關(guān)的必要配置，首先在MATLAB命令行窗口里面輸入指令：xmakefilesetup，進(jìn)入配置界面，配置步驟如圖4所示。

Tool Directories配置完成后，根據(jù)電腦軟件安裝檢驗(yàn)每一項(xiàng)路徑是否正確，若默認(rèn)設(shè)置不正確，可點(diǎn)擊configuration旁的new按鈕新建自己的設(shè)置，完成設(shè)置后單擊ok按鈕，關(guān)閉窗口。

完成上述步驟后，在MATLAB中輸入check EnvSetup（＇ccsv5＇，＇f28027＇，＇check＇），會(huì)出現(xiàn)6個(gè)配置表，全部配置完成后如下所示：

圖4 CCS版本選擇及路徑配置

這樣便表示配置成功，如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配置，則根據(jù)每一項(xiàng)中的變量和對(duì)應(yīng)地址，在計(jì)算機(jī)中手動(dòng)添加系統(tǒng)變量即可。

1.3 代碼生成模型

整個(gè)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速采集，當(dāng)前采集轉(zhuǎn)速作為反饋量與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，通過(guò)Pin1模塊進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，控制輸出PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的要求。控制系統(tǒng)程序執(zhí)行流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)程序執(zhí)行流程圖

根據(jù)圖5所示的程序執(zhí)行流程圖搭建調(diào)速系統(tǒng)C代碼生成模型，模型略——編者注。模型中，以I/O口模塊作為光電碼盤(pán)計(jì)數(shù)輸入口，通過(guò)MATLAB Function完成計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)采樣時(shí)間判斷，在采樣周期結(jié)束時(shí)，觸發(fā)Function-Call Subsystem1將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速，與給定轉(zhuǎn)速對(duì)比完成輸出PWM的脈寬調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。由于在MATLAB的TI C2000中采用ePWM模塊的中斷作為定時(shí)器比較方便，所以選擇ePWM作為中斷源，每0.001 s觸發(fā)一次中斷，進(jìn)入中斷完成中斷計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)500次（0.5 s）為一個(gè)采樣周期。

上述模型構(gòu)建選擇simulation/Model configuration Parameters完成最后的配置。圖6和圖7中圈出為需要設(shè)置的地方，其余選項(xiàng)默認(rèn)即可。

圖6 Solver配置

圖7中Target selection中需要配置的3個(gè)選項(xiàng)根據(jù)個(gè)人所需和使用的DSP型號(hào)完成配置；Toolchain需要根據(jù)使用的CCS版本配置，完成以上所有配置后，選擇simulink中的bulid model完成代碼自動(dòng)生成。

圖7 Code Generation配置

2 代碼正確性驗(yàn)證

2.1 硬件電路

根據(jù)代碼生成模型構(gòu)建硬件電路：GPIO口選用了GPIO02，PWM輸出選擇的是ePWM1A，20分度的光電碼盤(pán)完成測(cè)速，L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)電源選擇7.2 V直流電源。硬件電路原理圖略——編者注。

2.2 CCS配置

首先按照?qǐng)D8新建工程文件，并將MATLAB生成的文件夾中所有的.asm、.c、.h文件復(fù)制到工程中，并根據(jù)生成代碼所需頭文件配置頭文件路徑，如圖9所示。

圖8 新建工程文件

完成以上步驟后，編譯代碼并燒錄，即可驗(yàn)證代碼的正確性。

2.3 驗(yàn)證結(jié)果

圖10所示為電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖，此圖為CCS連接到DSP上運(yùn)行時(shí)所顯示的DSP采集的轉(zhuǎn)速。在某一時(shí)刻突增負(fù)載，之后保持一段時(shí)間后減去負(fù)載，可以看出調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)十分迅速，同時(shí)轉(zhuǎn)速波形與仿真波形都有較大的紋波系數(shù)，不過(guò)仍在可接受范圍之內(nèi)。

圖9 頭文件配置添加

為了驗(yàn)證DSP采集轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確性，使用了另外一塊TMS320F28027編程采集轉(zhuǎn)速，并用數(shù)碼管顯示，兩者比對(duì)證明了生成的DSP代碼是正確的。驗(yàn)證轉(zhuǎn)速數(shù)碼管顯示略——編者注。通過(guò)程序燒錄后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了MATLAB建模生成C代碼的正確性和可行性。

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖

結(jié) 語(yǔ)

本文介紹一種新的電機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程，講解使用MATLAB結(jié)合CCS完成TI系列DSP的開(kāi)發(fā)過(guò)程，這種開(kāi)發(fā)過(guò)程相較于以往需先查閱芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)、然后人工編程完成開(kāi)發(fā)，省去了代碼編寫(xiě)的過(guò)程，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。不過(guò)需要對(duì)MATLAB比較了解，并且在代碼生成模型的搭建中要有正確清晰的邏輯，才能保證生成代碼正確可行。如果掌握了這種開(kāi)發(fā)方式，能為今后的學(xué)習(xí)工作帶來(lái)很多的便利。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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