MATLAB到底有多厉害？
时间：2021-09-06 15:19:05
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[导读]前言：刚开始玩电机的时候也不喜欢MATLAB，每次都是直接码代码，然后去转电机。效果不好就在代码里改来改去，晕晕乎乎调了一周进展也不大。这种情况就是陷入了调参数的怪圈，恶性循环进而打击自信，进步也很缓慢。后来学会了simulink，才明白学习FOC一定要配合MATLAB，进步快很...
前言：刚开始玩电机的时候也不喜欢MATLAB，每次都是直接码代码，然后去转电机。
效果不好就在代码里改来改去，晕晕乎乎调了一周进展也不大。这种情况就是陷入了调参数的怪圈，恶性循环进而打击自信，进步也很缓慢。
后来学会了simulink，才明白学习FOC一定要配合MATLAB，进步快很多。
正文：1、理解离散系统：
在FOC中经常涉及到上个开关周期的角度，电压，或者预测下个周期的角度，电流，一般都是通过延时模块实现。图1 delay延时模块
为什么要使用这个模块呢？比如一般PWM比较值寄存器被改写后都是使能了预装载，采样后触发计算到比较值生效可以延时0.5个开关周期Ts，也可以延时1个开关周期Ts，或者1.5个Ts。不同的延时对于控制效果有什么区别呢？只需要在simulink定义延时时间即可，非常方便对比不同的方案下的区别。这种调试在实物上实现要复杂很多！
2、实现参数自整定：
把所有的环路参数放在m文件里，在运行工程前，修改电机参数，环路参数等等，先运行m文件，可以实现参数自整定。要修改参数也只用改m文件，类似宏定义一样，环路的参数自整定和这个也差不多了。图2 m文件实现参数自整定
3、强大示波器功能：
simulink的示波器功能非常强大，可以不限制查看任意波形，这在实物调试中也很难做到，除非去开发上位机配合查看，但是也有通道和数据量的限制。一般ARM M0的平台也没有资源去开发上位机。图3 相电压和相电流
尤其是现在比较通用的直流侧单电阻采样波形，可以清晰看到每个扇区对应的电流波形和单电阻波形的对应关系：图4 单电阻采样波形
4、模块化的平台，缩短开发周期：
一般开发一种新的观测器，阅读文献之后，经过simulink验证。在搭建好平台之后，把观测器，速度环，电流环，转矩补偿等等封装成各自的模块。需要验证哪个模块，即进行对应的修改。经过simulink验证的方法，基本都可以在实物中实现。如果simulink仿真失败，基本就直接放弃了。一般一个新的观测器仿真需要一到两周，可以大大缩短开发周期。
在搭建了完整的仿真平台后，实物和仿真模型基本可以做到95%以上的对应，除了一些非线性相关的因素，因为在仿真中无法模拟，需要在实物中实现。对于有经验的开发人员，拿到了离散的仿真模型，基本就等于拿到了代码。
当然如果模型在连续域仿真，会以很大的计算量得出很好的波形，掩盖环路中实际存在的很多问题。毕竟控制系统实际是以离散的形式在计算和工作。
图5 多个模型集成到一个框图图6 滑模模型，和公式一一对应
5、s函数代码级仿真：如果有足够的精力，simulink是可以实现c语言代码级仿真的。用s函数替代离散模块，代码放在s函数里，完全可以实现跟实物对应的仿真。移植到实物中代码也可以快速调试通过。
s函数运行的指令是在命令窗口输入：”mex xx.c“，xx是s函数文件名。
图7 s函数框图
6、在线参数变化的仿真：
一般来,Ld和Lq会随着电流出现饱和特性，所以可以通过m文件编程，实现Ld和Lq在线根据电流查表确定电感值。但是实际的无感FOC控制依然使用固定值，电机模型使用的饱和模型，这样子可以评估无感FOC的控制方法对电感饱和是否敏感，或者对电感的敏感程度。
图8 Ld在线查表
提供一种方法作参考：
用如下文档里的代码生成电感表格：https://ww2.mathworks.cn/help/physmod/sps/ref/elec_generateidealpmsmfluxdata.html
将表格导入如何可编辑的电机模型即可：https://ww2.mathworks.cn/help/autoblks/ref/fluxbasedpmsm.html?requestedDomain=zh
表格需要自己对应代码整理一下。
7、模拟MCU的运行方式：
使用Simulink离散模块搭建的方式，可以模拟MCU的硬件执行的结构。一般MCU最重要的是主频和中断，分别对应Simulink的最上层执行时间和定时执行的中断部分。如下图：图9 powergui模块设置仿真步长和类型
使用powergui模块设置成离散模式，设置仿真步长5e-7，相当于仿真最上层是2MHz的执行频率，这个2M就类似于MCU的主频，显示，电机模型本体响应的计算就以这个频率执行。
然后通过脉冲模块设置定时触发执行的控制模块，就相当于是定时执行的中断：图10 Pulse Generator模块
使用Pulse Generator模块，执行周期1e-4，相当于中断频率10k，控制环路都放在中断里，就跟MCU的运行结构非常类似了。执行频率对于离散控制来说是核心参数，不同的执行频率仿真结果区别很大。
千万不要在powergui里设置成continous仿真模式，那样会通过很高的计算频率掩盖环路的问题，与实际产品中电机运行状态不符。
8、评估环路的阶跃响应：
在伺服中比较常见的测试电流环带宽，一般测试交流给定幅相曲线。
以阶跃响应为例，可以把电机角度固定成0，电流解耦角度和逆变角度都强制给0，然后电流环的Id给参考，测试Id环路的参考和反馈，即可得到节约响应。如下图:图11 电流环阶跃响应
9、评估参数敏感性：
以磁链模型为例，当电机模型磁链跟计算使用磁链相等时，观测角度和误差如下：
图12 磁链准确时的观测误差
当温度上升，磁链降低到只有计算值的80%，再去比较估算角度和误差，就能判断控制方法对磁链的变化敏感程度。
图13 磁链下降时的观测误差
总结：对于研究电机控制来说，前期的主要工作放在文献和仿真上，到了代码已经是很后期的工作了。这种工作并不是靠代码量来决定工作进展，也许研究了一个月就改了一行代码却能够解决大问题。
对于我来说，如果不让我使用simulink我觉得自己就基本失业了，工作也没有任何乐趣可言。转电机并不是无脑的去写代码做实验，而是通过simulink去打磨模型，通过模型的搭建深入理解了方法才去开始实物阶段的实验。要想深入理解FOC，使用MATLAB是必经之路，没有捷径可走。模型对电机的诠释是无法用实验来代替的。
到现在为止，MATLAB的功能也许我才用了不到1‰。如果单纯能把MATLAB玩得很溜，我觉得年薪百万也不是难题。至少我的工作离不开MATLAB。
往期文章：
基于磁链模型的非线性观测器
HFI高频注入代码解读
产品级IPMSM高频注入低速无传感器控制方法
作者简介：
虚怀若谷，热爱永存！
我是转子磁场定向，十年FOC开发经验，精通永磁同步电机和异步电机无感控制。
可提供长期技术顾问咨询或者项目开发，商务合作请加V: PMSM_RFO
效果不好就在代码里改来改去，晕晕乎乎调了一周进展也不大。这种情况就是陷入了调参数的怪圈，恶性循环进而打击自信，进步也很缓慢。
后来学会了simulink，才明白学习FOC一定要配合MATLAB，进步快很多。
正文：1、理解离散系统：
在FOC中经常涉及到上个开关周期的角度，电压，或者预测下个周期的角度，电流，一般都是通过延时模块实现。图1 delay延时模块
为什么要使用这个模块呢？比如一般PWM比较值寄存器被改写后都是使能了预装载，采样后触发计算到比较值生效可以延时0.5个开关周期Ts，也可以延时1个开关周期Ts，或者1.5个Ts。不同的延时对于控制效果有什么区别呢？只需要在simulink定义延时时间即可，非常方便对比不同的方案下的区别。这种调试在实物上实现要复杂很多！
2、实现参数自整定：
把所有的环路参数放在m文件里，在运行工程前，修改电机参数，环路参数等等，先运行m文件，可以实现参数自整定。要修改参数也只用改m文件，类似宏定义一样，环路的参数自整定和这个也差不多了。图2 m文件实现参数自整定
3、强大示波器功能：
simulink的示波器功能非常强大，可以不限制查看任意波形，这在实物调试中也很难做到，除非去开发上位机配合查看，但是也有通道和数据量的限制。一般ARM M0的平台也没有资源去开发上位机。图3 相电压和相电流
尤其是现在比较通用的直流侧单电阻采样波形，可以清晰看到每个扇区对应的电流波形和单电阻波形的对应关系：图4 单电阻采样波形
4、模块化的平台，缩短开发周期：
一般开发一种新的观测器，阅读文献之后，经过simulink验证。在搭建好平台之后，把观测器，速度环，电流环，转矩补偿等等封装成各自的模块。需要验证哪个模块，即进行对应的修改。经过simulink验证的方法，基本都可以在实物中实现。如果simulink仿真失败，基本就直接放弃了。一般一个新的观测器仿真需要一到两周，可以大大缩短开发周期。
在搭建了完整的仿真平台后，实物和仿真模型基本可以做到95%以上的对应，除了一些非线性相关的因素，因为在仿真中无法模拟，需要在实物中实现。对于有经验的开发人员，拿到了离散的仿真模型，基本就等于拿到了代码。
当然如果模型在连续域仿真，会以很大的计算量得出很好的波形，掩盖环路中实际存在的很多问题。毕竟控制系统实际是以离散的形式在计算和工作。
图5 多个模型集成到一个框图图6 滑模模型，和公式一一对应
5、s函数代码级仿真：如果有足够的精力，simulink是可以实现c语言代码级仿真的。用s函数替代离散模块，代码放在s函数里，完全可以实现跟实物对应的仿真。移植到实物中代码也可以快速调试通过。
s函数运行的指令是在命令窗口输入：”mex xx.c“，xx是s函数文件名。
图7 s函数框图
6、在线参数变化的仿真：
一般来,Ld和Lq会随着电流出现饱和特性，所以可以通过m文件编程，实现Ld和Lq在线根据电流查表确定电感值。但是实际的无感FOC控制依然使用固定值，电机模型使用的饱和模型，这样子可以评估无感FOC的控制方法对电感饱和是否敏感，或者对电感的敏感程度。
图8 Ld在线查表
提供一种方法作参考：
用如下文档里的代码生成电感表格：https://ww2.mathworks.cn/help/physmod/sps/ref/elec_generateidealpmsmfluxdata.html
将表格导入如何可编辑的电机模型即可：https://ww2.mathworks.cn/help/autoblks/ref/fluxbasedpmsm.html?requestedDomain=zh
表格需要自己对应代码整理一下。
7、模拟MCU的运行方式：
使用Simulink离散模块搭建的方式，可以模拟MCU的硬件执行的结构。一般MCU最重要的是主频和中断，分别对应Simulink的最上层执行时间和定时执行的中断部分。如下图：图9 powergui模块设置仿真步长和类型
使用powergui模块设置成离散模式，设置仿真步长5e-7，相当于仿真最上层是2MHz的执行频率，这个2M就类似于MCU的主频，显示，电机模型本体响应的计算就以这个频率执行。
然后通过脉冲模块设置定时触发执行的控制模块，就相当于是定时执行的中断：图10 Pulse Generator模块
使用Pulse Generator模块，执行周期1e-4，相当于中断频率10k，控制环路都放在中断里，就跟MCU的运行结构非常类似了。执行频率对于离散控制来说是核心参数，不同的执行频率仿真结果区别很大。
千万不要在powergui里设置成continous仿真模式，那样会通过很高的计算频率掩盖环路的问题，与实际产品中电机运行状态不符。
8、评估环路的阶跃响应：
在伺服中比较常见的测试电流环带宽，一般测试交流给定幅相曲线。
以阶跃响应为例，可以把电机角度固定成0，电流解耦角度和逆变角度都强制给0，然后电流环的Id给参考，测试Id环路的参考和反馈，即可得到节约响应。如下图:图11 电流环阶跃响应
9、评估参数敏感性：
以磁链模型为例，当电机模型磁链跟计算使用磁链相等时，观测角度和误差如下：
图12 磁链准确时的观测误差
当温度上升，磁链降低到只有计算值的80%，再去比较估算角度和误差，就能判断控制方法对磁链的变化敏感程度。
图13 磁链下降时的观测误差
总结：对于研究电机控制来说，前期的主要工作放在文献和仿真上，到了代码已经是很后期的工作了。这种工作并不是靠代码量来决定工作进展，也许研究了一个月就改了一行代码却能够解决大问题。
对于我来说，如果不让我使用simulink我觉得自己就基本失业了，工作也没有任何乐趣可言。转电机并不是无脑的去写代码做实验，而是通过simulink去打磨模型，通过模型的搭建深入理解了方法才去开始实物阶段的实验。要想深入理解FOC，使用MATLAB是必经之路，没有捷径可走。模型对电机的诠释是无法用实验来代替的。
到现在为止，MATLAB的功能也许我才用了不到1‰。如果单纯能把MATLAB玩得很溜，我觉得年薪百万也不是难题。至少我的工作离不开MATLAB。
往期文章：
基于磁链模型的非线性观测器
HFI高频注入代码解读
产品级IPMSM高频注入低速无传感器控制方法
作者简介：
虚怀若谷，热爱永存！
我是转子磁场定向，十年FOC开发经验，精通永磁同步电机和异步电机无感控制。
可提供长期技术顾问咨询或者项目开发，商务合作请加V: PMSM_RFO
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