设计永磁同步电机控制器，难吗？

电力电子技术与新能源 2021-09-03 22:17 1494浏览 0评论 0点赞

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永磁同步电机的设计中，有两大主要的设计难题：

电机驱动
电机驱动部分的Simulink模型搭建、仿真与验证以及代码生成。由于国内新能源车的发展迅猛，很多电车类客户在 AUTOSAR 和 ISO26262 方面有刚性需求。
被控对象模型
长久以来，基于模型的设计（MBD）已经在电机驱动开发人员的标准配置。但被控对象层面的模型化，相对控制层面的建模来说，一直是一个难题。

有了被控对象模型和电机驱动器模型，将两者形成闭环，这才能形成一个真正意义上的MBD。无论在早期的模型在环测试（MIL）、软件在环测试（SIL），还是在后期的处理器在环测试（PIL）、硬件在环测试（HIL），闭环仿真将在极大程度上减少设计错误，增加开发效率，降低开发成本。

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永磁同步电机设计

永磁同步电机被控对象建模

MathWorks能提供三种不同精度的永磁同步电机被控对象模型：

线性模型—转矩和电流为线性方程
非线性饱和模型—转矩和电流的关系为非线性饱和型
饱和加空间谐波模型—转矩和电流的关系为饱和加空间谐波型

线性模型的建立

Simulink 中的 Simscape Power Systems 以及 Powertrain Blockset 都提供了线性模型供设计参考。

线性模型所需参数：

如何获取这些参数：

非线性饱和模型的建立

Simulink 中的 Powertrain Blockset 提供了非线性饱和模型供设计参考。用户可通过两种方式获取数据后填充这些模型（即填充 Nonlinear Flux 和 Current 表格）

这两种获取数据方式为电机台架测试（Dyno Testing）和有限元分析（FEA）。

饱和加空间谐波模型的建立

饱和加空间谐波模型的建立只有通过 FEA 的方式获得，MathWorks 工程师为用户提供了：

基本的饱和加空间谐波模型的Simulink模型框架

通过不同FEA（ANSYS,JMAG 等）工具获取数据后的处理脚本（处理导入数据至模型框架）

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电机驱动的基于模型的开发

电机驱动的基于模型的开发可以从如下几点来考虑：

驱动器建模、仿真和代码生成
符合 AUTOSAR 标准的驱动器开发
ISO26262 标准的合规

电机驱动的建模、仿真、测试和代码生成

电机驱动的建模、仿真和测试一般是通过Simulink和Stateflow来完成。在建模和仿真的过程中可注意如下几点：

可通过 Simulink Check 进行模型的静态检测，例如 MAAB、ISO26262、MISRA 等检查规则
可通过 Simulink Test 进行模块级别单元测试，同时可通过 Simulink Coverage 检测模型的覆盖率
可通过 Simulink Design Verifier 进行模型死区检测和自动生成一些测试用例（用来补足模型的测试覆盖率）

以上活动如果有驱动器和电机模型形成闭环，一般称之为 MIL（Model-In-the-Loop），MIL 主要考察模型的逻辑正确性。

在 MIL 通过之后，可考虑进行：

SIL（Software-In-the-Loop）
将驱动器的部分通过 Embedded Coder 生成 C 代码，然后将 C 代码编译后和电机模型联合测试。SIL 主要考察 C 代码生成的正确性。
PIL(Processor-In-the-Loop)
将驱动器的部分生成代码加载到处理器上，通过外围接口和电机模型联合测试。PIL 主要考察 C 代码到汇编语言的编译链接以及在处理器上执行的正确性。
HIL(Hardware-In-the-Loop)
将成品电机驱动器和在高速实时工控机上运行的电机模型，通过实时总线进行联合测试。HIL 主要考察在实时环境下电机驱动器的逻辑和性能。

MathWorks 提供了基于 TI C2000 的永磁同步电机驱动器的开发示例，用户可在模型仿真的基础上，产生应用层 C 代码。应用层代码通过调用底层驱动模块，在 TI CCS 环境下编译链接，并可直接运行在 TI C2000 平台上。

机

符合AUTOSAR标准的驱动器开发

AUTOSAR 是一种汽车电子的标准架构，由 ASW、RTE、BSW 等层次组成。Simulink 可通过 Embedder Coder 产生符合 AUTOSAR 架构的代码，该代码直接调用 RTE 接口。

一般来说，Simulink 支持两种开发模式：

自上而下模式
Simulink 可以导入如 Davinci Developer 等基于标准 AUTOSAR 的架构工具的 ARXML 文件，然后在此基础上进行 ASW 内部的 runnable 的设计，在设计完成后可生成可调用 RTE 的代码。
自下而上模式
Simulink 可以已经做好的控制模型，将原有的非 AUTOSAR 输入输出接口配置成 AUTOSAR 的输入输出接口，形成标准的 ASW。此后，可生成可调用 RTE 的代码。

Simulink 对 AUTOSAR 的支持可通过从网上下载 AUTOSAR 支持包来完成，无需额外的许可证支持。

ISO26262 标准的合规

ISO26262 为车用电机企业目前比较关注的一部关于功能安全的标准。MathWorks 产品对于 ISO26262 标准的合规主要体现在第六章软件部分和第八章工具和支持过程。

在第六章中，ISO26262 提出了 15 个表格。每个表格中针对不同的 ASIL 等级，对一些软件开发过程中的技术做了不同层次的要求。用户需要证明其软件开发过程符合这些要求。MathWorks 在 IEC Certification Kit 中的 Model-Based Designfor ISO26262 文档中对于每一个表格都有相应的技术应对。

第八章中，ISO26262 对开发过程中使用到的软件做了一些规定。MathWorks 的

Embedded Coder，Simulink Design Verifier，Simulink Check，Simulink Coverage，Simulink Test，PolySpace Bug Finder，PolySpace Code Prover 都被 TUV 严格做了以下审核和认证：

SUV 出具了对这些产品的工具认证报告
MathWorks 推荐了这些产品的使用流程
TUV 针对以上使用流程的若干使用场景做了 TCL（工具置信度）的事先划分

在实际认证过程中，如果为 TCL1 则无需做额外的工具资格认定（tool qualification），例如：Embedded Coder 如果严格按照 MathWorks 推荐的流程来使用，则为 TCL1。
如果为 TCL2 或者 TCL3，则用户需要做工具资格认定，MathWorks 提供了工具资格认定所需的测试用例，用户只需要运行即可。