MATLAB/Simulink的直流電機調速系統C代碼生成※

周丹，曾宇航

（1.西南科技大學，綿陽621010；2.重慶大學）

引 言

電機在國民經濟生產中有著舉足輕重的地位，為了使電機適應不同的工況，需要開發電機控制系統對其轉速轉矩等進行有效快速的控制。但是傳統的電機控制系統開發是一個復雜而繁瑣的過程，本文介紹一種相對簡單的電機控制系統開發流程。利用MATLAB/Simulink搭建異步電機的矢量控制模型完成控制參數的調整，在MATLAB環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發和代碼生成，最后根據整個模型繪制電路板，完成硬件電路，驗證仿真模型及生成代碼的正確性與系統的可行性。

1 直流電機MATLAB/Simulink仿真模型

1.1 轉速負反饋單閉環直流調速系統模型

根據圖1所示的轉速負反饋單閉環直流調速系統靜態結構圖，構造出直流電機轉速負反饋單閉環直流調速系統的模型。

圖1 轉速負反饋單閉環直流調速系統靜態結構圖

由于在實際硬件設計中，可以用光電碼盤直接測算轉速，所以無需將轉速轉換為電壓，直接將測算轉速作為反饋量與給定轉速相對比，完成整個調節過程，構造的仿真模型略——編者注。

完成仿真模型的構建后進行仿真試驗，檢驗模型的轉速調節能力和抗干擾能力，包括恒轉矩變轉速調節仿真和恒轉速變轉矩調節仿真。仿真結果分別如圖2和3所示。

（1）恒轉矩變轉速仿真

轉矩給定為30 N/m，初始轉速為500 rpm，到2 s時階躍至1000 rpm，到4 s時再次階躍到500 rpm。

（2）恒轉速變轉矩仿真

圖2 恒轉矩變轉速仿真結果

圖3 恒轉速變轉矩仿真結果

轉速給定為500 rpm，初始轉矩為30 N/m，到2 s時階躍至300 N/m，到4 s時再次階躍到30 N/m。

根據以上仿真結果可知，系統具有較好的調節速度和準確度，但是由于是單閉環調速系統，紋波系數較大，不過用于驗證和演示，其波動范圍尚在可接受范圍內，所以可以根據此模型構建MATLAB代碼自動生成模型并進行硬件實驗驗證。

1.2 MATLAB配置

為實現MATLAB自動生成CCS代碼，首先要完成MATLAB對于CCS的路徑配置和相關的必要配置，首先在MATLAB命令行窗口里面輸入指令：xmakefilesetup，進入配置界面，配置步驟如圖4所示。

Tool Directories配置完成后，根據電腦軟件安裝檢驗每一項路徑是否正確，若默認設置不正確，可點擊configuration旁的new按鈕新建自己的設置，完成設置后單擊ok按鈕，關閉窗口。

完成上述步驟后，在MATLAB中輸入check EnvSetup（＇ccsv5＇，＇f28027＇，＇check＇），會出現6個配置表，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，如果無法實現自動配置，則根據每一項中的變量和對應地址，在計算機中手動添加系統變量即可。

1.3 代碼生成模型

整個控制系統要實現轉速采集，當前采集轉速作為反饋量與給定轉速進行比較，通過Pin1模塊進行PI調節，控制輸出PWM的占空比來調節輸出電壓，達到控制轉速的要求。控制系統程序執行流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統程序執行流程圖

根據圖5所示的程序執行流程圖搭建調速系統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計數輸入口，通過MATLAB Function完成計數和計數采樣時間判斷，在采樣周期結束時，觸發Function-Call Subsystem1將計數值轉換成轉速，與給定轉速對比完成輸出PWM的脈寬調節，從而達到調節轉速的目的。由于在MATLAB的TI C2000中采用ePWM模塊的中斷作為定時器比較方便，所以選擇ePWM作為中斷源，每0.001 s觸發一次中斷，進入中斷完成中斷計數，計數500次（0.5 s）為一個采樣周期。

上述模型構建選擇simulation/Model configuration Parameters完成最后的配置。圖6和圖7中圈出為需要設置的地方，其余選項默認即可。

圖6 Solver配置

圖7中Target selection中需要配置的3個選項根據個人所需和使用的DSP型號完成配置；Toolchain需要根據使用的CCS版本配置，完成以上所有配置后，選擇simulink中的bulid model完成代碼自動生成。

圖7 Code Generation配置

2 代碼正確性驗證

2.1 硬件電路

根據代碼生成模型構建硬件電路：GPIO口選用了GPIO02，PWM輸出選擇的是ePWM1A，20分度的光電碼盤完成測速，L298N作為電機驅動，電機電源選擇7.2 V直流電源。硬件電路原理圖略——編者注。

2.2 CCS配置

首先按照圖8新建工程文件，并將MATLAB生成的文件夾中所有的.asm、.c、.h文件復制到工程中，并根據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，即可驗證代碼的正確性。

2.3 驗證結果

圖10所示為電機轉速波形圖，此圖為CCS連接到DSP上運行時所顯示的DSP采集的轉速。在某一時刻突增負載，之后保持一段時間后減去負載，可以看出調速系統響應十分迅速，同時轉速波形與仿真波形都有較大的紋波系數，不過仍在可接受范圍之內。

圖9 頭文件配置添加

為了驗證DSP采集轉速的準確性，使用了另外一塊TMS320F28027編程采集轉速，并用數碼管顯示，兩者比對證明了生成的DSP代碼是正確的。驗證轉速數碼管顯示略——編者注。通過程序燒錄后的實驗驗證，證明了MATLAB建模生成C代碼的正確性和可行性。

圖10 電機轉速波形圖

結 語

本文介紹一種新的電機控制系統的開發流程，講解使用MATLAB結合CCS完成TI系列DSP的開發過程，這種開發過程相較于以往需先查閱芯片數據手冊、然后人工編程完成開發，省去了代碼編寫的過程，大大縮短了開發周期。不過需要對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。如果掌握了這種開發方式，能為今后的學習工作帶來很多的便利。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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[3]克尼漢.C程序設計語言[M].2版.寶文，譯.北京：機械工業出版社，2004.

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