MBD实战之电机控制 第05期：把模型嵌入代码

mengmianren

全文约4864字，你将看到以下内容：

集成式MBD开发方式

把FOC算法模型嵌入代码

写在最后

姗姗来迟的第五期（天太冷了，搭模型、写文章也需要毅力

）。

本期将是2021年的收官，也将是MBD实战之电机控制系列的最后一期。这一期将介绍如何将模型生成的代码集成到已有的代码中去——把算法模型嵌入你的代码之中去。

1 集成式的MBD开发方式

这个话题这前面的文章中提过了很多次，之所以频繁的提及这种集成的方法，是因为这是目前MBD（Model-Based Design，基于模型的设计）的主流开发方式。

具体而言，集成式MBD的开发方法是：软件代码手写一部分，模型生成一部分，然后再将两部分集成在一起，从而实现完整的软件开发。

手写代码和模型生成有着不同的分工：

手写代码：适用于底层驱动、外设初始化、内存管理、中断管理、OS、Bootloader、协议栈等，还包括片外扩展IC的初始化，以及其他数学特征不明显的功能；

模型生成：适用于数学算法、状态机、数据处理等。

Tips：为了便于区分，本文将手写的代码称为底层代码，而模型生成的代码称为模型代码。底层代码负责的模块并不一定全部都是必须的，例如OS（嵌入式中一般使用实时操作系统，比如FreeRTOS），很多控制可能不需要OS，只需要中断管理即可。

可以看出，底层代码负责的功能，并不适合使用模型来实现。上一期给出的完全由模型实现的电机控制框架，虽然实现了电机控制，但实际上忽略了很多实际项目中必须的模块，例如OS、Bootloader等，还有很多安全机制也没有考虑。

底层代码功能理论上也能通过模型来实现，但没必要、也不需要用模型的方式来实现。MathWorks官方也一直推荐仅使用Simulink/MATLAB搭建算法模型，像底层驱动、内存管理、OS、Bootloader、协议栈等等，还是通过手写代码的方式更为高效。

这一点我有直接咨询过MathWorks的工程师，他告诉我底层代码要通过模型来实现，其难点在于TLC语言的复杂性和硬件芯片的多样性（市面上的芯片太多，每一个都需要适配），这两点没有专业的团队，很难实现模型的高效性。

Tips：我有了解到，有的公司利用StateFlow实现了类似于OS的Task Manager，用于管理模型中的不同任务。其构成也是相当复杂，没有专门的团队是没办法开发和维护的。但也仅限于任务调度——我感觉像复杂的状态机，OS的很多功能是没办法用StateFlow实现的。

对于有复杂算法的软件，MBD代码生成就可以大显身手了，算法越复杂，优势就越显著。举一些例子，如：电机控制、电池管理系统（BMS）、路径规划、紧急制动（AEB）、自动泊车（APS）等算法，其算法实现都可以通过MBD的方式来开发。

用MBD来开发算法，简单总结有如下优势：

便于算法实现和调整：这里指的并不是找Bug，算法的数学表达可能是固定的，但在特定的应用场景下，算法的局部需要特定调整，例如添加状态机实现不同状态的切换。借助模型的图形化，以及MATLAB/Simulink上的各种工具箱，这种调整是很直观，并且很容易实现。

专注算法且算法独立：使用模型搭建算法，我们只需要专注算法实现的本身，不需要考虑底层驱动等因素；由于不考虑底层驱动，算法模型可以方便地实现移植。有人说算法的核心是数学，写代码往往并不太容易兼顾数学，但搭建模型可以。

便利的仿真测试：算法的测试对于优化算法是非常强有力的途径，通过MBD，可以方便的实现MIL、SIL、PIL和HIL，根据测试结果，反馈到模型中，再对模型进行调整，这其中的效率是手写代码无法比拟的。

我自己是有完全手写代码实现电机控制软件所有环节的经验的，对比搭建MBD电机控制框架的开发过程，上述优点是非常明显的，我深有体会。这些优点对新手入门也是非常友好，特别是对非电子、计算机专业的人来说。

在使用集成式MBD开发项目时，软件实现一般需要两个角色：

底层工程师：底层工程师需要对MCU和硬件电路设计很熟悉，他负责实现底层驱动、MCU初始化、OS、Bootloader、协议栈等。他使用手写代码的方式进行开发，在底层代码中给算法预留好接口，以供算法集成。

算法模型工程师：算法模型工程师则负责搭建模型、测试算法，测试通过后就可以生成代码，然后集成到底层代码中去。

Tips：软件实现还可以有一个统筹底层代码和模型代码的架构工程师，给底层和模型设计需求；非软件的部分，一般有一位硬件工程师。

集成好了之后可能还需要进行测试，因为仿真毕竟和实际情况有差异。这时候再调整模型，或者调整底层代码，就可以做到彼此独立、互不干扰了。这一点在传统的开发中往往是一大痛点，而MBD可以很好的解决这个问题。

2 把FOC算法模型嵌入代码

依然以PMSM无感电机控制软件开发为例来介绍如何实现模型代码的集成，硬件平台是NXP的电机开发套件MCSPTE1AK144。



电机开发套件MCSPTE1AK144 - From NXP

后文中提到的最新的模型和代码已经更新到了我的GitHub仓库中，下载模型可以访问下面这个链接：

GitHub仓库：autoMBD电机控制项目
https://github.com/TkungAI/autoMBD_Motor_Control

也可以在对话框中发送关键词“MBD电机控制”，即可收到链接信息，公众号里还有其他资源，发送关键词“资源”可以收到下载链接。

回到正题，如何开展集成式MBD开发，有以下三个工作环节：

1. 实现算法模型

首先要明确算法模型的需求，可以简单地概括为：

算法的输入和输出是什么？

算法的内部变量有哪些？

算法要处理什么任务（状态机）？

这三个问题的解答也需要和底层工程师和硬件工程师一起协商、相互约束、相互补充，共同明确需求。下图是本次实现的电机控制算法模型（文件名FOC_Ctrl_CodeModel.slx）：



PMSM无感电机控制算法模型 - From autoMBD

这里给出我在本次的PMSM无感电机控制软件开发中，对上述三个问题的回答：

输入和输出

输入为5个ADC采样信号和2个电机控制信号，ADC采用数据用于FOC算法、目标转速的输入，电机控制信号用于控制电机的启停；输出为三相占空比Duty Cycle和LED信号，分别用来执行控制和显示控制状态（参见上图）。

中间变量

中间量不会输出，是在算法处理数据过程中产生的，可以体系算法的特征，比如处理后的电压信号、电流信号、无感算法估计的速度和位置、控制信号等。

这部分通过Bus数据对象实现对数据结构体的定义。下图中的varFOC即包含了所有的中间量。

中间变量和StateFlow Chart - From autoMBD

状态机设计

这部分也就是明确电机控制软件具有的功能、任务。

在不同的阶段，算法执行的内容是不一样的，例如关闭电机的状态下，不需要跑FOC算法。本次项目中，只实现了简单启动、关闭和故障清楚的功能，状态相对简单，如下图所示：

算法模型状态机 - From autoMBD

Tips：如果有看之前提出的电机控制框架模型，应该就能发现这里的状态机与之非常相似。实际上这里的状态机是对原版的更新和优化，把函数调用方式从Function Call换成了Simulink Function，在Chart内部即可调用函数，不需要把调用的函数模型建立在Chart外面了。具体状态机的讲解可以参考电机实战的03期和04期的内容。

要注意的是，在Run状态下，调用的FOC核心算法模型，其包含了独属于FOC算法的子状态机和中间变量FocInternalPara。这里将FOC算法部分和与非FOC算法部分进行了分别设计，增加算法的灵活性和移植性。



FOC核心数学算法 - From autoMBD



FOC核心算法模型子状态机 - From autoMBD

Tips：该状态机只负责FOC算法的状态控制，包括对齐、开环、追踪和无感闭环四个状态，具体内容可以参考电机实战的04期的内容。

算法模型的内容就介绍到这里，其他的细节还请下载模型后打开查看。模型创建好了就可以生成代码了：



算法模型生成代码 - From autoMBD

这里生成的代码即集成时需要用到的代码。生成代码文件很多，其实是可以优化减少的，后续再开新的文章来讲解如何优化生成的代码。

2. 实现底层代码

Tips：底层代码的实现本质上就是手写代码的开发方式，只不过不做算法部分而已，所以需要有一定的编程基础。网络上有很多嵌入式开发的文章和案例，autoMBD的目标也不是介绍手写代码的开发，所以这里不会很细致的讲如何实现底层代码，仅从方法论的角度简单介绍一下。

可以发现，上述的算法模型中已经没有任何的硬件支持包的模块了，即已经不包含任何的底层驱动、外设初始化等等的功能，这部分由底层代码来实现。

要开发底层代码，需要用到集成开发环境IDE。对于S32K1系列芯片，NXP公司提供了一套免费的、专用于NXP汽车芯片的IDE工具——面向Arm?的S32 Design Studio（简称S32DS）。



面向Arm?的S32 Design Studio - From NXP

打开S32DS后，窗口如下图所示：



S32DS窗口 - From NXP

要配置底层驱动，需要用到S32K1专用图形配置工具——Processor Expert（上图中红色方框中的部分）。该工具能够实现对S32K1系列芯片的灵活配置。而底层驱动则需要使用S32K1 SDK，该SDK具有丰富的API供开发者使用，功能完善且强大。

关于Processor Expert和S32K1 SDK的使用，更多请参考NXP的技术文档。

本次项目中我也实现了一个基本的PMSM无感电机控制的底层代码，包括外设配置、MCU初始化和中断管理的内容，该DS工程位于仓库的这个位置：

S32DS_Prjct -> FOC_Ctrl_MBD_Integration。

该底层代码实现的功能与上一期中的电机控制框架基本一致。

3. 模型代码的集成

到这里，模型代码和底层代码都已经实现，如何集成呢？实际上生成的代码中有一个ert_main.c的文件就给出了集成的实例，读者可以参考该文件。

模型代码集成的过程是比较简单的，主要分为以下几步：

模型初始化：FOC_Ctrl_CodeModel_initialize()

周期性运算Step函数：FOC_Ctrl_CodeModel_step()或rt_OneStep()

终止（如果需要）：????FOC_Ctrl_CodeModel_terminate()

Tips：调用并运行模型算法的是Step函数，即计算模型的一个步长。两个Step函数功能是一样的，rt_OneStep()在”模型Step“的基础上封装了一层错误检查，但该错误检查基本上起不了什么作用。

特别要注意的是周期性调用Step函数的周期，需要和算法的运算周期保持一致，不然可能会出现错误结果。

本次项目中，模型初始化在MCU初始化完成后调用；Step函数的调用在Motor_ISR中；模型算法不会终止，所以不需要Terminate函数。具体的代码如下：

/* Low level driver initialization */    MCU_Init();    GD3000_Init();    FMSTR_Init();
/* Initialize model */    FOC_Ctrl_CodeModel_initialize();
    MCU_Start();
/* Forever loop */while(1)    {        FMSTR_Poll();        mainCnt++;    }
voidMotor_ISR(void){/* Read ADC*/    ADC_DRV_GetChanResult(INST_ADCONV1, 0, &adcResult[0][0]); /* V_REFSH */    ADC_DRV_GetChanResult(INST_ADCONV1, 1, &adcResult[0][1]); /* Pot     */    ADC_DRV_GetChanResult(INST_ADCONV1, 2, &adcResult[0][2]); /* iA      */    ADC_DRV_GetChanResult(INST_ADCONV1, 3, &adcResult[0][3]); /* Temp    */    ADC_DRV_GetChanResult(INST_ADCONV2, 0, &adcResult[1][0]); /* V_REFSL */    ADC_DRV_GetChanResult(INST_ADCONV2, 1, &adcResult[1][1]); /* uDC     */    ADC_DRV_GetChanResult(INST_ADCONV2, 2, &adcResult[1][2]); /* iB      */    ADC_DRV_GetChanResult(INST_ADCONV2, 3, &adcResult[1][3]); /* iDC     */
/* Set model inputs here */    FOC_Ctrl_CodeModel_U.ADCinput[0] = adcResult[0][2];    FOC_Ctrl_CodeModel_U.ADCinput[1] = adcResult[1][2];    FOC_Ctrl_CodeModel_U.ADCinput[2] = adcResult[1][3];    FOC_Ctrl_CodeModel_U.ADCinput[3] = adcResult[1][1];    FOC_Ctrl_CodeModel_U.ADCinput[4] = adcResult[0][1];    FOC_Ctrl_CodeModel_U.FaultSwitch = faultSwitch;    FOC_Ctrl_CodeModel_U.MotorSwitch = motorSwitch;/* Calculate one-step for the modle */    rt_OneStep();/* Get model output here */    pwmDuty[0] = (uint16_t)(FULL_DUTY * FOC_Ctrl_CodeModel_Y.DUTY[0]);    pwmDuty[1] = (uint16_t)(FULL_DUTY * FOC_Ctrl_CodeModel_Y.DUTY[1]);    pwmDuty[2] = (uint16_t)(FULL_DUTY * FOC_Ctrl_CodeModel_Y.DUTY[2]);
/* Set PWM duty */    FTM_DRV_FastUpdatePwmChannels(INST_FLEXTIMER_PWM1, 3, pwmChannels, pwmDuty, true);
/* Clear FTM flag */    FTM_DRV_ClearStatusFlags(3, FTM_TIME_OVER_FLOW_FLAG|FTM_RELOAD_FLAG);}

可以看到模型的传参和返回结果是通过全局变量的方式实现的：

输入全局变量：FOC_Ctrl_CodeModel_U

输出全局变量：FOC_Ctrl_CodeModel_Y

这里是可以通过对算法模型进行设置的，可以改成传参的方式，本次项目使用的是默认方式。

前文中的算法模型的中间变量也是一个全局变量：

模型中间变量：FOC_Ctrl_CodeModel_DW.varFOC

到这里模型代码的集成就算完成了，可以像手写代码的方式调试和下载代码了。

其实还有很多关于代码集成的细节和技巧没有提到，本次项目实现的模型代码完全是在默认设置下生成的。

Simulink是可以对生成的代码进行很细致的控制的，例如控制代码生成的位置、函数传参的方式、函数的复用等，还有代码如何优化，如何创建数据字典来管理模型数据。关于这些技巧和实践，我会在后续的文章中进行介绍，欢迎持续关注作者

。

3 写在最后

先说一点题外话，我最近才了解到NXP新发布的S32K3系列芯片，其最新的硬件支持包MBDT有了一个较大的升级，它的底层模块已经实现了完全等同于S32K3专用底层配置工具的功能。这一升级使得底层驱动这一功能也可以在Simulink模型中实现。

现在的S32K1的MBDT底层模块由于功能很有限，很多情况下底层驱动的配置必须使用专用配置工具Processor Expert来配置才能满足需求。而S32K3的更新有望改变这一现状，有兴趣的可以了解一下S32K3芯片和它最新的硬件支持包MBDT。



S32K3X4EVB-Q172 - From NXP

到本篇文章为止，我认为关于MBD的基础部分，应该已经写得差不多了，如果看完我的全部文章，应该能有所收获。

下一期我将对所有发布的文章，和GitHub仓库进行一次清理和总结。

明年autoMBD将会进入到下一个阶段，会尝试更有挑战的内容，例如TLC语言、MBD实现通信、MBD与OS的结合等。所以请持续关注autoMBD，更多技术分享不容错过。

2021年还剩下最后一周，在这里提前祝大家2022年新年快乐，希望各位读者能在2022年收获更多！