董靖川， 王太勇， 陸鋼慶， 李曉奇， 閆傳濱

(天津大學 機械工程學院，天津 300354)

0 引 言

傳統(tǒng)嵌入式數(shù)字控制系統(tǒng)軟件開發(fā)需要手工編寫大量代碼，并且需要等到樣機完成后才能進行測試，整個過程不但很容易出錯，而且發(fā)現(xiàn)錯誤后需要重復代碼編寫、算法調試等工作，造成開發(fā)效率低下，可靠性差。為了解決傳統(tǒng)設計方法的弊端，從20世紀90年代以后，人們嘗試通過基于模型的設計方法(MBD)開發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)。該方法以控制系統(tǒng)的數(shù)學模型為核心，借助計算機建模、仿真和自動代碼生成技術實現(xiàn)開發(fā)流程，使工程師能夠在各個階段都能夠依據(jù)系統(tǒng)控制模型進行設計開發(fā)，在建模、仿真過程中能夠盡早發(fā)現(xiàn)并解決問題，避免了手工編寫代碼造成的效率低下和可靠性問題，使復雜控制系統(tǒng)快速、可靠設計成為可能。目前，基于模型的設計方法已成功應用于大型項目的開發(fā)上，如空客380客機、GM混合動力汽車、諾-馬公司的聯(lián)合攻擊機等項目[1]。

Matlab/Simulink軟件支持基于模型的設計流程，提供圖形化的建模、仿真環(huán)境[2-3]，以及嵌入式代碼自動生成等功能，可以滿足運動控制系統(tǒng)的開發(fā)需要。在此基礎上，采用以單片機(MCU)為核心的嵌入式運動控制板作為控制器硬件平臺[4]，并連接直角坐標運動機構組成運動控制實驗裝置，可以實現(xiàn)運動控制算法的驗證與測試。為了在該裝置上實現(xiàn)基于模型的設計，開發(fā)了運動控制板的Simulink自動代碼生成模塊庫[5]，含有AD、DA、編碼器、通用輸入、通用輸出等接口的驅動程序。另外還開發(fā)了運動控制板的數(shù)據(jù)采集與傳輸庫函數(shù)，可以在實驗過程中實時記錄數(shù)據(jù)，并上傳到計算機上進行數(shù)據(jù)分析處理。

1 實驗平臺介紹

運動控制實驗裝置由PC機、基于MCU的運動控制器和直角坐標運動機構組成，如圖1所示。PC機上運行Matlab/Simulink軟件，實現(xiàn)控制器建模、仿真、代碼生成及數(shù)據(jù)處理等功能。自主設計的基于MCU的運動控制器運行由PC機設計的實時控制算法，且含有控制、編程及通信接口。直角坐標運動控制機構由相互垂直的直線運動軸組成，每個軸通過永磁同步交流伺服電機[6]拖動，經聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠[7]，將旋轉運動轉換為直線運動，最后帶動工作臺移動。每個軸的電機配有旋轉編碼及電機驅動器，由驅動器接收運動控制器發(fā)出的指令，并將編碼器的脈沖反饋到運動控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

(a) 組成原理

(b) 實驗裝置照片

在自主開發(fā)的運動控制卡中，控制MCU是基于ARM Cortex-M4核心的STM32F429單片機，具有硬件浮點處理單元，支持DSP指令，最高主頻可達180 MHz[8]，可以滿足復雜控制算法的實時計算需求。MCU內部含有2MB Flash存儲器和256KB的SRAM，可存儲控制程序及數(shù)據(jù)。程序下載及調試接口基于SWD協(xié)議，通過ST-Link連接PC機，下載設計的伺服控制程序，并實現(xiàn)在線程序調試。板上帶有RS-232通信接口[9]，能夠連接PC機串口進行實驗數(shù)據(jù)的傳輸。電源接口輸入5 V和24 V直流電源，為控制部分電路及連接驅動器的信號回路供電。模擬量輸出接口，可輸出-10～10 V范圍的電壓信號，作為伺服驅動器的速度或轉矩指令。模擬量輸入接口用于連接各種模擬量信號傳感器。編碼器接口可連接驅動器的編碼器信號輸出，可對正交編碼信號[10]進行雙向計數(shù)，實現(xiàn)電機位置和速度的測量。開關量輸入及輸出接口可連接繼電器、指示燈、行程開關等裝置，也作為與驅動器通信的伺服使能輸出、報警輸入等信號的接口。此外，板上還設置了4個按鍵，用于對實驗過程的控制。

2 控制模型的自動代碼生成

2.1 代碼自動生成的流程

控制代碼的自動化生成是實現(xiàn)基于模型的設計方法的關鍵技術。在Matlab/Simulink環(huán)境下，由控制系統(tǒng)模型生成控制器代碼的流程如圖2所示[11]。用戶在Simulink下建立的控制模型，經過rtw編譯生成模型的rtw文件。rtw是一種結構化的文本文件，是代碼生成過程中的中間產物，是后續(xù)利用目標語言編譯器(Target Language Complier, TLC)進行自動代碼生成的輸入文件。該文件中記錄了模型的模塊、輸入、輸出、參數(shù)、狀態(tài)、存儲及其他重要的模型信息。然后，通過調用目標語言編譯器將rtw文件編譯為一系列源文件(如C語言的.C、.h文件等)。在編譯過程中，目標語言編譯器需要調用一些TLC文件。TLC文件使用一種腳本語言，規(guī)定了生成代碼的結構及代碼生成的動作等。在代碼生成過程中，需要調用3類TLC文件，即系統(tǒng)TLC文件、模塊TLC文件和其他支持代碼生成的TLC函數(shù)庫。在編譯過程中，系統(tǒng)TLC文件首先被調用，該文件規(guī)定了生成代碼的全局結構。然后由系統(tǒng)TLC 文件調用模塊的TLC文件和TLC函數(shù)庫，進行代碼生成。在此過程中，會對模型的rtw文件中記錄的信息進行讀寫。TLC編譯過程結束后生成的源文件代碼經過編譯、鏈接后可以生成能夠在目標平臺硬件上運行的可執(zhí)行文件。

圖2 Simulink代碼自動生成流程

2.2 運動控制板的Simulink模塊庫

為了能夠使用戶的控制器模型運行在基于MCU的運動控制板上，設計了與運動控制板配套的Simulink模塊庫，如圖3所示。該模塊庫中的模塊對應了運動控制板上的各種用于控制的輸入/輸出接口。其中輸出模塊包括模擬量輸出(DAC)、伺服使能輸出(SEN)、通用開關量輸出(DO)；輸入模塊包括編碼器輸入(ENC)、按鍵(KEY)、伺服報警輸入(SAL)、通用開關量輸入(DI)和模擬量輸入(ADC)。用戶可以將上述模塊拖動到Simulink的模型中，建立起控制算法輸入/輸出信號與控制接口之間的聯(lián)系。

圖3 運動控制板的Simulink模塊庫

運動控制板Simulink模塊庫中的模塊是基于S-function構建的[12]。S-function是Simulink的模塊擴展接口，可以通過S-function實現(xiàn)自定義的Simulink模塊。該模塊可以按照Simulink的框架運行各種子方法的調用，和Simulink內建模塊一起工作。 S-function分為Level 1和Level 2，可以用M代碼或C語言編寫。本文中，采用C語言編寫Level 2的支持代碼生成的S-function。以DAC模塊為例，在模塊庫中自定義一個S-function模塊，編寫對應的S-function C語言文件。該文件基于Simulink自帶的S-fuction模板sfuntmpl_basic.c構建。為了能夠支持代碼生成，除了實現(xiàn)常規(guī)的S-function方法外，還需要實現(xiàn)mdlRTW方法。mdlRTW方法的主要功能是，在代碼生成時將模塊的參數(shù)寫入到rtw文件。DAC模塊在圖形用戶界面(GUI)參數(shù)中定義了一個channel(“通道號”)參數(shù)，mdlRTW方法獲取該參數(shù)并寫入到rtw文件中，供代碼生成使用：

static void mdlRTW(SimStruct *S) {

uint8_T channel = (uint8_T)(mxGetScalar(ssGetSFcnParam(S, 0)));

if (!ssWriteRTWParamSettings(S, 1, SSWRITE_VALUE_DTYPE_NUM, "channel",

&channel, DTINFO(SS_UINT8, COMPLEX_NO)))

return; }

在Matlab下使用用mex命令編譯該文件后，即可在Simulink的建模和仿真中直接使用該模塊。

2.3 基于TLC文件的硬件驅動編寫

運動控制板的Simulink模塊庫中，每個模塊都有對應的TLC文件，用于生成該模塊的硬件驅動程序C語言代碼。TLC語法是以單個“%”符號開頭的關鍵字為命令，空格后跟參數(shù)的腳本語言，含有變量、記錄、分支、循環(huán)、函數(shù)、注釋等功能。模塊的TLC文件支持各種子函數(shù)，用戶可以根據(jù)需要選擇其中部分函數(shù)并實現(xiàn)，也可以在TLC文件中調用Simulink的內建TLC函數(shù)，方便代碼生成。以DAC模塊為例，該模塊TLC文件內容為:

%assign CodeFormat = "Embedded-C"

%implements F429DSM_DAC "C"

%function Outputs(block, system) Output

/* % Block: % */

%assign channel = CAST("Number", SFcnParamSettings.channel)

%assign OutVal = LibBlockInputSignal(0, "", "", 0)

F429DSM_SetDACOutputVoltage(%,

%);

%endfunction

第1行設置CodeFormat變量為“Embedded-C”，指定嵌入式的C語言格式，這種格式內存占用較少，簡化了代碼的接口。%implements命令一行注明S-function模塊名以及生成代碼的目標語言。在該文件中實現(xiàn)了Outputs子函數(shù)，該函數(shù)用于編寫模塊計算輸出的代碼，將其生成到model_step()函數(shù)中。channel變量是從模型的rtw文件中記錄的模擬量輸出通道號，OutVal變量由內建函數(shù)LibBlockInputSignal獲取的模塊輸入端口數(shù)據(jù)，在這里是模擬量輸出電壓數(shù)值。生成的代碼中通過調用定義的C語言函數(shù)F429DSM_SetDACOutputVoltage實現(xiàn)MCU片上數(shù)模轉換器(DAC)數(shù)值的更改，實現(xiàn)模擬量電壓的輸出功能。

2.4 控制軟件工程模板的構建

為了使Simulink生成的代碼通過編譯、連接成可執(zhí)行文件并在運動控制板上運行，需要將自動生成的代碼整合到控制器軟件的開發(fā)工程中。為此，設計了一個通用控制軟件工程模板，基于該模板可快速構建完整的控制器軟件開發(fā)工程。

控制器軟件工程模板需要完成硬件設備的初始化，還要提供底層硬件訪問的接口驅動。此外，為了實現(xiàn)離散控制，還需要構建能夠執(zhí)行固定周期任務的軟件框架。在構建控制軟件工程中，借助了運動控制板MCU廠家意法半導體公司提供的圖形化的MCU配置工具STM32CubeMx[13]。在STM32CubeMx軟件中，選擇運動控制板上的MCU型號，然后根據(jù)控制板的硬件電路原理對MCU的管腳分配、片上外設功能、時鐘樹、中斷等進行配置，并設置開發(fā)工具及工程路徑、堆棧大小等參數(shù)，可以自動生成的含有硬件初始化代碼的完整軟件工程。在此代碼基礎上，模板中再封裝一層驅動接口函數(shù)，供Simulink 模塊驅動程序調用。

為了方便實驗數(shù)據(jù)的記錄、傳輸與處理，在此控制軟件工程模板中還添加了數(shù)據(jù)采集與傳輸功能函數(shù)庫。數(shù)據(jù)采集功能可以在每個控制周期內將指定的信號數(shù)值記錄到預先分配的內存中。數(shù)據(jù)傳輸功能支持標準的xmodem協(xié)議[14]，可以將采集到的數(shù)據(jù)通過RS-232接口批量上傳到PC機。

利用此工程模板構建控制軟件工程的步驟如下：①復制工程模板，并打開作為新的工程。②將Simulink生成的代碼復制到工程中。③調用Simulink自動生成的模型初始化函數(shù)model_initialize ()和模型周期任務函數(shù)model_step()。前者在main函數(shù)初始化階段調用；對于后者，在工程模板中已將MCU的定時器TIM2配置為1 ms定時周期，在其中斷處理函數(shù)中調用model_step()函數(shù)，即可實現(xiàn)周期為1 ms離散控制。④在周期中斷處理函數(shù)中調用數(shù)據(jù)采集與傳輸函數(shù)庫，記錄所需實驗數(shù)據(jù)。

3 基于模型的設計在實驗中的應用

基于模型的設計方法使用戶能夠快捷、高效地進行控制系統(tǒng)的開發(fā)，并且降低了手工編碼錯誤帶來的風險。下面以機電傳動控制課程實驗教學中的雙軸聯(lián)動運動控制實驗為例，說明基于模型的設計在實驗中的應用。

3.1 控制器模型的設計

雙軸聯(lián)動使用直角坐標運動機構的X和Y軸的同步移動實現(xiàn)工作臺的圓形軌跡運動，其Simulink控制模型如圖4所示。模型中含有2個伺服控制通道，分別控制X、Y軸，二者結構是相同的。各軸的位置指令由正弦信號發(fā)生器模塊產生，幅值和頻率相同，通過設置偏移和相位關系使X和Y合成的指令軌跡為圓形。伺服控制使用電動機驅動器的轉矩控制模式，發(fā)送到驅動器的模擬量電壓代表轉矩的大小和方向。每個伺服通道實現(xiàn)位置和速度的P-PI雙閉環(huán)控制。

圖4 輪廓控制實驗的Simulink控制器模型

接口模塊來自運動控制板的Simulink模塊庫。使用按鍵KEY1發(fā)送實驗開始信號，經按鍵消抖濾波后產生驅動器的伺服使能信號，并實現(xiàn)編碼器計數(shù)清零和軌跡指令復位。各軸編碼器讀數(shù)經差分、累加、比例轉換等處理得到以mm和mm/s為單位表示的位置和速度反饋信號。轉矩指令經過鉗制處理后由模擬量輸出模塊發(fā)送到電動機驅動器。

3.2 基于代碼自動生成的控制程序構建

模型建立后，點擊工具欄中的Model Configuration Parameters圖標，打開模型參數(shù)配置面板，設置代碼生成相關的選項：① 在Solver面板中，將 Solver options中type設置為Fixed-step，將Fixed-step size設置為1 ms，與運動控制板的固定控制周期一致；② 在Hardware Implementation面板中，將Device vendor設置為ARM Compatible，Device type設置為ARM Cortex，與運動控制板的MCU一致；③ Code Generation面板中，將System target file設置為ert.tlc，作為系統(tǒng)TLC文件，Language選擇C語言，選中Generate code only，點擊Generate code按鈕，即可啟動自動代碼生成流程。

復制控制軟件工程模板，在MCU開發(fā)工具Keil uVision中打開工程。將Simulink自動生成的.C和.h文件加入到工程中。在main()函數(shù)入口調用模型初始化函數(shù)model_initialize ();在TIM2 的周期中斷函數(shù)中首先調用模型周期任務函數(shù)model_step()，再調用數(shù)據(jù)采集接口記錄X、Y軸的編碼器計數(shù)，供后續(xù)數(shù)據(jù)分析使用。編譯、鏈接后，生成可執(zhí)行的控制程序。

3.3 實驗驗證與測試數(shù)據(jù)分析

將程序下載到運動控制板，按下按鍵1啟動實驗，可看到X、Y軸電動機同時運行，帶動工作臺實現(xiàn)圓形軌跡的運動。松開按鍵1后，電動機停止運行。打開PC機的超級終端程序，選擇與運動控制卡相連的COM串行通信口，設置通信格式為波特率115 200、無校驗、1停止位，然后選擇Xmodem協(xié)議并按下控制板按鍵2上傳采集的實驗數(shù)據(jù)。在Matlab中，讀取上傳的實驗數(shù)據(jù)文件，根據(jù)X、Y軸編碼器讀數(shù)可計算得到各個時刻各軸的實際位置、跟蹤誤差以及圓周運動的輪廓誤差數(shù)據(jù)[15]。最終計算出的的雙軸聯(lián)動控制實驗的輪廓誤差曲線如圖5所示。

圖5 輪廓誤差曲線

4 結 語

采用Matlab/Simulink軟件及自主設計的運動控制板和直角坐標運動機構，構建了基于模型的設計的運動控制實驗環(huán)境。開發(fā)了支持自動代碼生成的運動控制板Simulink模塊庫，含有AD、DA、編碼器、通用輸入、通用輸出等模塊。實驗應用結果表明，基于模型的設計具有建模直觀、簡便、靈活、可靠等優(yōu)點，使運動控制理論與實驗無縫連接，能夠快速構建起實驗控制系統(tǒng)，有利于激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)工程實踐和創(chuàng)新能力。