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運用模型基礎設計縮短馬達控制應用程式研發時間

上網時間: 2009年01月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:馬達  控制器  DSC 

精密馬達控制器的應用範圍日益廣泛,不僅可提供更複雜、更精確的動作控制與減少耗能,並具備其他多項優點。這類控制器通常是以16及32位元的數位訊號控制器(DSC)為主,可提供某些應用程式庫,但仍需發展與完成進階級馬達及動作控制演算法,並整合各種控制功能與周邊設備等各種工具及方法。此外,由於設計與整合錯誤通常直到於實際硬體上執行程式碼時才被發現,因此往往導致研發時間與成本的增加。

而模型基礎設計可有效解決這些問題-藉由啟動階層式設計過程,於最初的概念等級即可限定整體設計,加入必要的細節,進而發揮所需的功能性。此模型是用以限定規格、評估設計與系統性能、自動產生程式碼、執行硬體迴路測試,並可建立軟體基礎測試控管機制以測試生產軟體。此方法不僅可大幅減少研發時間,迅速形成完全與功能性概念驗證設計,還可經由統一的設計、模擬與測試環境,獲得快速的設計重複與參數最佳化。

嵌入式控制系統的模型基礎設計

模組集(blockset)的引進,有助於馬達控制應用程式的模型基礎設計的使用,包括預先組態的模組,以處理向量控制系統的所有元件,例如派克與克拉克轉換(Park and Clarke transforms)、脈波寬度調變(PMW)、比例積分(PI)迴路、速度估測器、磁通估測器等。這些新工具使設計人員可利用預先建立、代表原始與進階演算法的模組,迅速建立圖形模型,並僅於需要時才納入其本身的C碼,且各種模組與周邊設備間的所有整合均可自動執行。事實上,這些新工具已為客戶們所接受,並應用於重大工程計畫,同時亦獲得業界的認可。圖1為完成嵌入式馬達控制器的模型基礎設計流程,並指出各階段的代表軟體工具。

圖1:模型基礎設計的流程與代表工具。
圖1:模型基礎設計的流程與代表工具。

模型基礎設計使工程師能建立程序檔以描述一般的操作情況,用軟體模擬控制器的操作。工程師可迅速修改模型並觀察性能變化,透過快速的重複達到設計性能的提升。此方法的主要特色即在於評估新設計時的彈性,無須將大量資金投入硬體原型製作。例如,工程師可於模擬即時平台上操作控制器模型,控制模擬馬達性能的模型;或者,可產生程式碼,並於實際硬體上執行,利用其控制真正的馬達或馬達的即時模擬。

模型基礎設計範例

動態系統模擬軟體Simulink為MathWorks公司所研發的主要平台,適用於複式領域模擬與模型基礎設計,以下將詳述如何利用此軟體發展出一項簡單的直流馬達控制系統設計。圖2顯示具有次系統擴展觀點的模型,適用於轉速的校正與測量。

圖2:直流馬達控制器的Simulink模型。
圖2:直流馬達控制器的Simulink模型。

比例積分微分(PID)模組控制PWM模組的工作週期,PWM模組則控制傳遞至馬達的電壓。正交編碼器脈衝(QEP)模組會接受連接馬達電樞的光學編碼器的相位脈衝輸出,而QEP則會計算電樞的位置與速度。QEP的輸出為數位速度訊號,是由PID控制器模組用以控制PWM的工作週期。需注意的是,速度測量、PID及若干其他模組所產生的手寫組合程式碼,為本範例中所使用的TI DSP進行最佳化。

經由模擬產生的可靠控制設計

使用模型基礎設計,在研發過程中不需硬體即可隨時執行模擬與評估結果,因此在研發初期,可於極短的時間內,以甚低的成本評估各項設計的性能。舉例而言,在本文所討論的應用程式中,工程師應發展一個簡易的電動馬達軟體模型,並以控制系統的初期重複進行控制。工程師亦可輕易地將控制系統性能量化,亦即對速度變化命令反應的所需時間。如欲改變設計,僅需調整PID參數即可,便可立即得知對於性能的影響。圖3為用以確定參數與評估PID模組性能的模型。

圖3:評估PID控制器用的Simulink模型。
圖3:評估PID控制器用的Simulink模型。

最初PID參數所產生的結果,顯示於圖4(左圖)。根據圖中標示所需的轉速、PWM工作週期與實際轉速,顯示控制器反應並未最佳化,這是由於調量過大與延長振動的緣故,但只需藉由反複修改,即可調整PID模組的參數以產生更佳的反應。結果顯示於圖4(右圖)。

圖4:經由重複的參數修改(右圖)獲得PID控制器(左圖)的最初反應與性能改善。
圖4:經由重複的參數修改(右圖)獲得PID控制器(左圖)的最初反應與性能改善。

如上所述,以傳統設計方法從浮點切換至固定點實作不僅複雜困難、浪費時間而且容易出錯,為了使此過程簡化與流線化,DSP廠商可提供處理器特定的固定點程式庫,如圖5所示TI的C28x IQmath程式庫。

圖5:Texas Instruments公司的C28x IQmath程式庫。
圖5:Texas Instruments公司的C28x IQmath程式庫。


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