MBD实战之电机控制 第03期：基于MBD的电机控制框架

hudaren43

全文约5452字，你将看到以下内容：

autoMBD电机控制项目概况

基于MBD的电机控制框架

MBDT的问题修复

在S32 DS中使用生成的代码

下期预告

1 autoMBD电机控制项目概况

过去两个月的时间里，我在NXP S32K144平台上构建了一个基于MBD（基于模型的设计，Model-Based Design）的电机控制框架，该框架上传到了GitHub仓库，仓库位于下面这链接中：

GitHub仓库：TkungAI/autoMBDMotorControl
https://github.com/TkungAI/autoMBDMotorControl

autoMBD Motor Control仓库- From NXP

读者也可以在对话框中回复关键词“MBD电机控制”，即可收到上述链接。

目前该框架还处于较为初级的阶段，在后续的可开发中还会不断改进和完善，增加更多的功能，欢迎持续关注

。

现阶段，我在该框架上实现了一个简单的BLDC六步换相的开环控制，并且已经在NXP的电机开发套件MCSPTE1AK144上进行了验证，符合我的设计预期。



电机开发套件MCSPTE1AK144 - From NXP

特别提示：目前我的框架是基于NXP的MBDT硬件支持包开发的，在开发的过程中我发现MBDT存在一些问题，我进行了暂时的修复。如果没有修复这些问题，我的工程直接生成代码、编译可能会报错。后文会详细讲解这些问题如何修复。

提示：该框架和模型属于autoMBD的劳动成果，转载或引用请注明来源和作者，请勿用于商业或不当盈利！感谢支持

。

这里简单的阐述一下为什么需要构建一个全新的MBD电机控制架构。

读过我之前文章的读者肯知道，MBDT提供了较为丰富的电机控制模型，BLDC、PMSM、开环/闭环、有感/无感等都有相应的示例模型。



MBDT提供的电机示例工程 - From autoMBD

实际上，我认为这些控制模型只对如何使用MBDT这个工具本身有一定的参考意义。

这些模型给我的感觉是一种面向流程的开发方式，可读性较差。它的这些模型也很难做PIL测试，无法满足MBD的很多开发流程需求。它还有一些其他缺点，比如没有构建数据类型，导致变量定义很繁琐。

从另一个角度来说，这些示例工程的开发逻辑和纯代码开发方式截然不同，虽然实现了电机控制算法，但几乎不会使用模型中的方法构建电机控制软件。

总的来说，我们学习MBDT这个工具可以参考这些模型，但真正的开发，还需要一套适合MBD的架构。

在进入下面的内容之前，请确保正确安装MBDT硬件支持包，安装教程可以参考MBD实战之MBDT 第01期：MBDT快速上手，更多的MBDT教程也可以阅读公众号的历史文章。

2 基于MBD的电机控制框架

下图便是今天的主角——基于MBD的电机控制框架模型：



基于MBD的电机控制框架模型 - From autoMBD

在构建这个框架之前我便在思考：MBD的框架应该是什么样子的？

这个问题一开始并没有好的答案，幸运的是我从实时操作系统FreeRTOS的学习中找到了灵感——以Task的方式区分不同的任务和功能。所以我构建的MBD电机控制框架也是以这一思想开展的。

autoMBD的资源库也更新了一篇NXP关于FreeRTOS的应用笔记，在公众号对话页面选择“MBD->资源”子菜单，或者直接在消息对话框中回复关键词“资源”，即可收到autoMBD资源库分享链接。

从上图可以看到，该框架模型分可以为六个功能区域：

全局变量定义 - Global Variables

全局变量的定义用到的是Simulink中的Data Store Memory模块，如下图所示：



全局变量定义 - From autoMBD

全局变量的定义是建模过程中遇到的第一个难点，因为它涉及到我们软件开发中最基础的东西——数据类型。

在软件开发中，为了提高开发效率，和代码的可读性，经常需要构建自己的数据类型。做好一个的数据类型设计和定义，有时候反而是代码开发中最麻烦、最耗时间的阶段。但这些是有必要的，甚至是必须的。

在Simulink中可以通过Bus Editor构建自定义数据类型。



Bus Editor - From autoMBD

这里不详细展开介绍如何通过Bus Editor构建自己的数据类型，有问题可以私信与我讨论。

编辑好的数据类型可以保存下来，仓库中的structBLDCMotorCrtl.mat文件就是本项目中创建的所有数据类型。有了自定义数据类型，整个项目只用到了三个模块就定义了全部需要的数据。

每次运行模型、生成代码之前都需要将创建好的数据类型加载到MATLAB的工作空间中，不然会提示报错。

初始化 - Initialization

初始化任务执行的是对MCU外设的初始化配置，比如Pin脚、ADC、PDB、SPI、FTM、PIT、中断等。还包括外围IC的初始化，如本项目中的GD3000预驱芯片的初始化是通过TPP模块实现的。

初始化任务中包含的模块如下：



初始化任务 - From autoMBD

细心的读者可能已经发现，上图中的模块明显没有包含所有的外设配置模块。这是因为MBDT设计的模块，有的是配置和执行是在同一个模块中，比如FTM的配置和PWM生成均由FTM PWM Config模块实现：



FTM配置模块 - From autoMBD

Pin脚的配置也是这样的，这类型的模块，放置在模型的任意位置都会生成相应配置代码，同时它也承担着功能执行的工作。

读者可以打开模型查看具体的各个模块的配置。

用户接口 - User Interfere

在开发过程中，我们往往需要和MCU进行一些交换，比如按键、LED、屏幕等。在本项目中交互接口设置了两个按键（通过GPI边沿检测）和一个周期性的中断（通过PIT实现，处理板上旋钮），如下图所示：



用户接口 - From autoMBD

这些接口都是通过中断服务程序（ISR）执行相应的任务，读者可以打开图中的函数模块查看执行内容。

状态机任务 - State Machine Task

接下来便是比较核心的状态机任务，如下图所示：



状态机任务 - From autoMBD



状态机StateFlow - From autoMBD

状态机的输入有两个：MotorOnOff和FaultSetClear，分别实现启停电机和处理失效情况。

状态机简而言之就是实现在不同的状态下调用不同的函数/功能。我将状态机分为了三个阶段：

ReadADC：读取ADC采样数据，数据反馈；

StateMachine：状态切换、数据处理、控制算法等；

UpdateFTM：更新PWM占空比，控制算法的执行。

第一和第三个阶段是任何时刻都会执行的，是数据反馈和算法执行的必要步骤。

第二个阶段与控制状态有关，执行的内容也不相同，是数据处理和算法的处理中心，如果要更新算法也只需要在这个阶段更改模型即可。

这三个阶段具体的任务模型如下图所示：



读ADC数据 - From autoMBD



状态切换的相应功能 - From autoMBD



更新FTM（PWM） - From autoMBD

状态机什么时候触发，什么时候执行，以及执行时间的长短，是开发时至关重要的考量因素。它直接关系到控制算法的执行效率和具体实现方式，本项目中状态机的驱动方式如下图所示：



状态机的驱动实现 - From autoMBD

每当FTM计数器到最小值的时候，会产生一个名为init_trig的触发信号，该信号可以启动PDB（Programmable delay block）延时模块开始计数，同时产生一个中断信号，该中断信号即为状态机的驱动信号。

PDB模块计数达到设定的位置时（PDB0设置为1000、1500和2000，PDB1设置为1000和2000），可以触发ADC采样；而中断信号使CPU进入到ISR中处理状态机。

FTM产生的PWM频率为20 kHz，所以状态机也以20 kHz的频率进行运算，一般的应用中，20 kHz的运算频率是完全足够的。常用的还有10 kHz、16 kHz等。

特别注意的是，状态机的总的处理时间绝对不能超过PWM的周期，正常情况下还需要保证一定的安全余量，不然会出现意想不到的后果。

关于MCU的外设模块（FTM、ADC、PDB等）工作原理，可以参考《S32K1xx Series Reference Manual》，该文档在autoMBD的资源库中可以找到。

Hall任务 - Hall Task

第五个任务是Hall任务，即采集Hall位置信号的。该任务比较简单，由GPI ISR实现，如下图所示：



Hall任务 - From autoMBD

系统任务 - System Task

系统任务用来处理一些其他非电机控制的相关任务和功能，例如点灯、通信等等。本项目的系统任务如下图所示：



系统任务 - From autoMBD

系统任务设置了三个部分：

LED点灯；

软件计数，以及将板上的按键信息传递到状态机输入变量中；

自定义初始化，可以在生成的代码中插入自己需要的初始化功能。

系统任务的驱动是由“仿真步长”决定的，仿真步长在Simulink中是最小运算的时间间隔，是非实时性的。本项目中步长设置为0.001 s，即1 kHz频率。



模型的仿真步长 - From autoMBD

但在生成代码时，仿真步长会自动变成周期性的中断，驱动软件运算。在MCU中，由PIT Channel0生成与仿真步长相同间隔的中断信号，此时为实时信号，驱动整个模型中的非ISR任务。我们可以把该信号称为Step Tick：



系统任务的Step Tick - From autoMBD

实际上我们也可以认为，模型中所有的非ISR任务，都处于PIT Channel0的ISR任务中，所有我把这样的任务称为系统任务。

电机控制框架模型的六个功能区域介绍完了，下面描述的是软件的运行过程。

软件运行过程 - Software Process

在电机控制框架下，所有任务的运行过程可以用下面这个图表示：



MBD电机控制框架的任务过程 - From autoMBD

上图中，各个任务的中断优先级由下往上逐次增加。

当MCU上电后，软件首先进行外设初始化任务，在初始化的过程中会启动PIT计数器。

我们将PIT启动的时刻称为0.000 s，那么0.001 s时第一次进入系统任务，0.002 s时第一次进入用户旋钮任务（图中未给出）。两秒后，系统任务会启动FTM，从而启动状态机任务。

系统任务和状态机任务是周期性触发的，频率分别为1 kHz和20 kHz。用户按键任务和Hall任务是随机触发的，只有按下按键或Hall信号发生了变化才会进入到相应的任务中。

以上便是目前MBD电机控制框架全部模型介绍，目前已经在该框架上实现了BLDC的开环控制算法。

在此模型的基础上，要开发新的控制算法，例如FOC、无感控制等等，就变得比较方便了，只需要修改状态机任务中的相应功能即可（下一期的目标就是这个）。也可以在系统任务中添加新的功能，例如通信、故障检测等。

3 MBDT的问题修复

正如前面提到的，MBDT的部分代码生成功能存在一些问题，如果不修复这些问题，上述的框架模型是会编译报错的。



MBDT最新版4.2.0 - From NXP

我电脑上安装的MBDT是NXP官方最新版4.2.0，该版本的问题的具体可以描述为：使用StateFlow和自定义的数据类型时，MBDT部分模块的中断ISR生成的代码编译不能通过。



MBDT编译报错 - From autoMBD

实际上，如果我们不在这些模块的ISR中使用StateFlow和自定义的数据类型，上述问题是不会发生的。这也是为什么官方的示例工程没有出现这样的问题。

对于ISR来说，不应该有代码编写的区分，ISR中应该能编写任何合理的代码，没有任何的限制。对应的在MBD中，也应该能在ISR中搭建任何合理的模型，包括使用StateFlow和自定义数据类型，并生成可以正常工作的代码。

所以我觉得不修复这个问题是不满足MBD的要求的。

如果不修复这些问题，也能搭建MBD模型，就像官方例程那样，在有问题模块的ISR中，不使用自定义数据类型，不使用StateFlow搭建模型。

我没有全部测试过，但FTM、PDB的ISR不能使用StateFlow和自定义数据类型，PIT和ADC的ISR可以使用StateFlow和自定义数据类型，其他模块未知。

总之，我选择修复这些模块的问题。要修复这些问题，就涉及到代码生成语言Target Language Compiler（TLC）。因为前没学习过TLC，所以花费了较多的时间在这部分工作上。



Target Language Compiler的工作原理 - From MATLAB

我对TLC学习的还不够深入，也不敢冒充专家讲解这部分内容。后面如果有机会我可是尝试讲一讲TLC。这里就只给大家展示MBDT具体的修复方法。

首先需要找到MBDT的安装位置，默认情况下图这个位置：



MBDT安装位置 - From autoMBD

在这个位置中找到NXP_MBDToolbox_S32K1xx\mbdtbx_s32k\blocks文件夹：



MBDT模块文件 - From autoMBD

这里的blocks就是所有MBDT模块的底层源文件，包括TLC文件。在本项目中一共需要修复的文件有三个：

custom_init_s32k_trigger.tlc

修复方法：将第21行代码注释掉。

修复custom_init - From autoMBD

ftm_s32k_hall_sensor.tlc

修复方法：将126行注释掉。

修复ftm_hall - From autoMBD

ftm_s32k_ovf_reload_isr.tlc

修复方法：在第45行处添加以下代码

#define BLDCctrlBase_IN_NO_ACTIVE_CHILD ((uint8_T)0U)#define BLDCctrlBasedOnMBD_IN_Faults   ((uint8_T)1U)#define BLDCctrlBasedOnMBD_IN_Initial  ((uint8_T)2U)#define BLDCctrlBasedOnMBD_IN_NormalRun ((uint8_T)2U)#define BLDCctrlBasedOnMBD_IN_Ready    ((uint8_T)3U)#define BLDCctrlBasedOnMBD_IN_Run      ((uint8_T)4U)#define BLDCctrlBasedOnM_IN_Calibration ((uint8_T)1U)


修复ftm_isr - From autoMBD

完成以上工作后，模型就能正确生成代码了。

Tips: 如果在上述过程中遇到了问题，可以发私信给我一起讨论。

目前的模型适配的是NXP的电机开发套件MCSPTE1AK144，在该平台上可以直接编译本项目的电机框架模型，并生成代码。模型的功能有：

通过按键1启动或关闭电机；

通过按键2模拟失效的情形，或者清除失效状态；

在电机启动的情况下，选择旋钮，可以控制BLDC的转速。

后续我也会在该平台上添加更多的功能，包括通信功能、故障检测功能、FOC、无感算法等等。欢迎持续关注



。

4 在S32 DS中使用生成的代码

在MBD实战之MBDT 第3.5期：MBDT实现PIL测试中介绍了如何使用S32 DS下载生成的代码，也提到了IDE的必要性（更多信息可以阅读该文章）。但该方法还是略显繁琐，本项目中给了另一种方法。

在GitHub仓库的ProjectForDS文件夹中可以找到用于本项目的一个DS工程，要使用该工程，可以按照以下步骤：

1. 在本地克隆本项目仓库。
2. 打开S32DS，导入ProjectForDS内的BLDCctrlBasedOnMBD工程。在MBD实战之MBDT 第02期：MBDT实现电机控制中通过视频展示了如何导入一个已有的工程，不知道具体操作步骤的可以参考该视频。



导入BLDCctrlBasedOnMBD工程 - From autoMBD

需要注意的地方就是，导入Options不要勾选，如下图所示：



不要勾选Options - From autoMBD

3. 导入工程后，可以看到一个名为BLDCctrlBasedOnMBD_mbd_rtw的文件夹，该文件夹是一个链接文件夹（可以看到文件夹的右下角有一个小箭头），它实际上并不存在于DS的工程中，而是在电机控制框架模型的目录下。



DS工程中的链接文件夹 - From autoMBD



链接文件夹的实际位置 - From autoMBD

通过链接文件夹的方式，不需要每次生成代码后，重复地复制一次代码，简化了操作步骤，当我们在MATLAB中生成一次代码后，代码就已经更新了。

4. 创建链接文件夹和创建一个普通文件夹类似，首先新建一个Folder：



新建Folder - From autoMBD

在Folder选项中，点击Advanced，选中Linked Folder，选择你想要链接的文件夹即可：



选中Linked Folder - From autoMBD

不过我还是建议使用Variables的相对路径方式，这样可以增强工程的移植性。

查看BLDCctrlBasedOnMBD_mbd_rtw的属性，可以看到它使用的是${PARENT-2-PROJECT_LOC}的变量路径。这样设置后，不管仓库的位置放在那里，只要保证仓库内部的路径没有发生变化，编译就不会报错。



设置相对路径 - From autoMBD

5. 同样链接文件中有很多非代码文件，通过选中文件，右键移除编译路径，可以一次选中多个文件。



非代码文件移除编译路径 - From autoMBD

具体需要保留的文件和需要移除的文件，可参考MBD实战之MBDT 第3.5期：MBDT实现PIL测试。同样添加include路径的方法不变，也可以参考第3.5期，这里不再赘述。

GitHub仓库中的DS工程已经配置好了，和电机控制框架模型是链接好的，可以直接使用。使用时尽量避免移动仓库内的文件夹，以免产生错误。

我们不需要在S32DS中修改代码，只是使用S32DS编译和下载代码。因为MATLAB下载代码不能调试，通过DS下载代码可以调试、暂停，还可以查看寄存器，这对解决Bug很有帮助。

5 下期预告

下一期我将在现在的电机控制框架上实现FOC控制算法，欢迎持续关注。

这一期介绍了基于MBD的电机控制框架模型，是我花时间最多的一期，内容也是干货满满。希望大家点赞、转发支持一下。谢谢大家