MATLAB/Simulink的直流电机调速系统C代码生成※

周丹，曾宇航

（1.西南科技大学，绵阳621010；2.重庆大学）

引 言

电机在国民经济生产中有着举足轻重的地位，为了使电机适应不同的工况，需要开发电机控制系统对其转速转矩等进行有效快速的控制。但是传统的电机控制系统开发是一个复杂而繁琐的过程，本文介绍一种相对简单的电机控制系统开发流程。利用MATLAB/Simulink搭建异步电机的矢量控制模型完成控制参数的调整，在MATLAB环境下将已建好的控制模型配合TI DSP芯片完成控制模型的仿真开发和代码生成，最后根据整个模型绘制电路板，完成硬件电路，验证仿真模型及生成代码的正确性与系统的可行性。

1 直流电机MATLAB/Simulink仿真模型

1.1 转速负反馈单闭环直流调速系统模型

根据图1所示的转速负反馈单闭环直流调速系统静态结构图，构造出直流电机转速负反馈单闭环直流调速系统的模型。

图1 转速负反馈单闭环直流调速系统静态结构图

由于在实际硬件设计中，可以用光电码盘直接测算转速，所以无需将转速转换为电压，直接将测算转速作为反馈量与给定转速相对比，完成整个调节过程，构造的仿真模型略——编者注。

完成仿真模型的构建后进行仿真试验，检验模型的转速调节能力和抗干扰能力，包括恒转矩变转速调节仿真和恒转速变转矩调节仿真。仿真结果分别如图2和3所示。

（1）恒转矩变转速仿真

转矩给定为30 N/m，初始转速为500 rpm，到2 s时阶跃至1000 rpm，到4 s时再次阶跃到500 rpm。

（2）恒转速变转矩仿真

图2 恒转矩变转速仿真结果

图3 恒转速变转矩仿真结果

转速给定为500 rpm，初始转矩为30 N/m，到2 s时阶跃至300 N/m，到4 s时再次阶跃到30 N/m。

根据以上仿真结果可知，系统具有较好的调节速度和准确度，但是由于是单闭环调速系统，纹波系数较大，不过用于验证和演示，其波动范围尚在可接受范围内，所以可以根据此模型构建MATLAB代码自动生成模型并进行硬件实验验证。

1.2 MATLAB配置

为实现MATLAB自动生成CCS代码，首先要完成MATLAB对于CCS的路径配置和相关的必要配置，首先在MATLAB命令行窗口里面输入指令：xmakefilesetup，进入配置界面，配置步骤如图4所示。

Tool Directories配置完成后，根据电脑软件安装检验每一项路径是否正确，若默认设置不正确，可点击configuration旁的new按钮新建自己的设置，完成设置后单击ok按钮，关闭窗口。

完成上述步骤后，在MATLAB中输入check EnvSetup（＇ccsv5＇，＇f28027＇，＇check＇），会出现6个配置表，全部配置完成后如下所示：

图4 CCS版本选择及路径配置

这样便表示配置成功，如果无法实现自动配置，则根据每一项中的变量和对应地址，在计算机中手动添加系统变量即可。

1.3 代码生成模型

整个控制系统要实现转速采集，当前采集转速作为反馈量与给定转速进行比较，通过Pin1模块进行PI调节，控制输出PWM的占空比来调节输出电压，达到控制转速的要求。控制系统程序执行流程图如图5所示。

图5 控制系统程序执行流程图

根据图5所示的程序执行流程图搭建调速系统C代码生成模型，模型略——编者注。模型中，以I/O口模块作为光电码盘计数输入口，通过MATLAB Function完成计数和计数采样时间判断，在采样周期结束时，触发Function-Call Subsystem1将计数值转换成转速，与给定转速对比完成输出PWM的脉宽调节，从而达到调节转速的目的。由于在MATLAB的TI C2000中采用ePWM模块的中断作为定时器比较方便，所以选择ePWM作为中断源，每0.001 s触发一次中断，进入中断完成中断计数，计数500次（0.5 s）为一个采样周期。

上述模型构建选择simulation/Model configuration Parameters完成最后的配置。图6和图7中圈出为需要设置的地方，其余选项默认即可。

图6 Solver配置

图7中Target selection中需要配置的3个选项根据个人所需和使用的DSP型号完成配置；Toolchain需要根据使用的CCS版本配置，完成以上所有配置后，选择simulink中的bulid model完成代码自动生成。

图7 Code Generation配置

2 代码正确性验证

2.1 硬件电路

根据代码生成模型构建硬件电路：GPIO口选用了GPIO02，PWM输出选择的是ePWM1A，20分度的光电码盘完成测速，L298N作为电机驱动，电机电源选择7.2 V直流电源。硬件电路原理图略——编者注。

2.2 CCS配置

首先按照图8新建工程文件，并将MATLAB生成的文件夹中所有的.asm、.c、.h文件复制到工程中，并根据生成代码所需头文件配置头文件路径，如图9所示。

图8 新建工程文件

完成以上步骤后，编译代码并烧录，即可验证代码的正确性。

2.3 验证结果

图10所示为电机转速波形图，此图为CCS连接到DSP上运行时所显示的DSP采集的转速。在某一时刻突增负载，之后保持一段时间后减去负载，可以看出调速系统响应十分迅速，同时转速波形与仿真波形都有较大的纹波系数，不过仍在可接受范围之内。

图9 头文件配置添加

为了验证DSP采集转速的准确性，使用了另外一块TMS320F28027编程采集转速，并用数码管显示，两者比对证明了生成的DSP代码是正确的。验证转速数码管显示略——编者注。通过程序烧录后的实验验证，证明了MATLAB建模生成C代码的正确性和可行性。

图10 电机转速波形图

结 语

本文介绍一种新的电机控制系统的开发流程，讲解使用MATLAB结合CCS完成TI系列DSP的开发过程，这种开发过程相较于以往需先查阅芯片数据手册、然后人工编程完成开发，省去了代码编写的过程，大大缩短了开发周期。不过需要对MATLAB比较了解，并且在代码生成模型的搭建中要有正确清晰的逻辑，才能保证生成代码正确可行。如果掌握了这种开发方式，能为今后的学习工作带来很多的便利。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

[1]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]刘杰，周宇博.基于模型的设计：MSP430/F28027/F28335DSP篇[M].北京：国防工业出版社，2011.

[3]克尼汉.C程序设计语言[M].2版.宝文，译.北京：机械工业出版社，2004.

[4]TI公司.TMS320F28027使用手册，2012.