【導(dǎo)讀】MCU 在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。人們不斷追求使電源轉(zhuǎn)換器更高效、更緊湊、更智能、更便宜,這就需要使用只能以數(shù)字方式執(zhí)行的高度復(fù)雜的控制和信號(hào)處理算法。MCU 通??梢匀〈鄠€(gè)分立元件,在某些情況下甚至可以消除對(duì)某些傳感器的需求。專用于電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的 MCU 的價(jià)格已經(jīng)下降到即使對(duì)成本高度敏感的產(chǎn)品(例如緊湊型 DC-DC 和 AC-DC電源模塊)也能從其使用中受益的程度。但是,為此類(lèi)嵌入式應(yīng)用程序編寫(xiě)軟件并非易事。
電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的 MCU
MCU 在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。人們不斷追求使電源轉(zhuǎn)換器更高效、更緊湊、更智能、更便宜,這就需要使用只能以數(shù)字方式執(zhí)行的高度復(fù)雜的控制和信號(hào)處理算法。MCU 通??梢匀〈鄠€(gè)分立元件,在某些情況下甚至可以消除對(duì)某些傳感器的需求。專用于電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用的 MCU 的價(jià)格已經(jīng)下降到即使對(duì)成本高度敏感的產(chǎn)品(例如緊湊型 DC-DC 和 AC-DC電源模塊)也能從其使用中受益的程度。但是,為此類(lèi)嵌入式應(yīng)用程序編寫(xiě)軟件并非易事。
在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用 MCU 的挑戰(zhàn)通常來(lái)自于開(kāi)發(fā)和調(diào)試過(guò)程嵌入式代碼的難度。這有幾個(gè)原因,特別是在成本敏感的應(yīng)用中。重要的是,應(yīng)用程序充分利用 MCU 的有??限資源(即處理能力和內(nèi)存)。因此,通常幾乎沒(méi)有空間添加調(diào)試和故障排除功能。此外,開(kāi)發(fā)人員通常被迫編寫(xiě)非常“緊湊”的代碼,有時(shí)甚至仍然使用匯編語(yǔ)言,以限度地利用給定的微處理器。這樣的代碼可能難以分析和排除故障。開(kāi)發(fā)和測(cè)試用于電源轉(zhuǎn)換的嵌入式代碼的另一個(gè)挑戰(zhàn)是高速執(zhí)行此類(lèi)代碼(通常為 10 – 500 kHz)來(lái)控制功率級(jí)。這禁止使用傳統(tǒng)的調(diào)試器,因?yàn)檎{(diào)試器會(huì)暫停和停止應(yīng)用程序,并限制了硬件在環(huán) (HIL) 模擬器的適用性。
圖1:PIL模擬原理
處理器在環(huán) (PIL) 聯(lián)合仿真
Plexim 推出了一款新的 PIL 模塊,該模塊帶有PLECS 3.6,專門(mén)用于幫助電力電子和嵌入式控制工程師測(cè)試、驗(yàn)證和確認(rèn)嵌入式代碼。該方法基于將 MCU 和 PLECS 電路模擬器結(jié)合到處理器在環(huán) (PIL) 聯(lián)合仿真中。換句話說(shuō),在真實(shí) MCU 硬件上運(yùn)行的實(shí)際代碼與 PLECS 模型的虛擬世界相關(guān)聯(lián),而模擬和嵌入式代碼的執(zhí)行是同步的。
在 PIL 模式下,模擬工具計(jì)算出的值將用作嵌入式算法的輸入,而不是讀取物理傳感器。同樣,在處理器上執(zhí)行的控制算法的輸出也會(huì)反饋到模擬中以驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境。這種方法可以暴露特定于平臺(tái)的軟件缺陷,例如數(shù)值溢出和鑄造錯(cuò)誤。
PLECS PIL 方法與代碼的編寫(xiě)/生成方式無(wú)關(guān),不需要使用基于模型的開(kāi)發(fā)方法。它僅依靠嵌入在代碼中的探針來(lái)讀取和覆蓋變量,其中這種 PIL 方法類(lèi)似于在印刷電路板上放置測(cè)試點(diǎn)以允許注入和測(cè)量信號(hào),例如用于在線測(cè)試 (ICT) 或網(wǎng)絡(luò)分析。
圖 2:偽實(shí)時(shí) PIL 操作中的嵌套嵌入式控制代碼執(zhí)行
在 PIL 操作期間,控制代碼的執(zhí)行必須與 PLECS 同步,以便交換探測(cè)信息和更新仿真模型。在同步期間,控制代碼的執(zhí)行完全凍結(jié),包括所有與時(shí)間相關(guān)的 MCU 外設(shè)(如計(jì)數(shù)器)。一旦發(fā)生同步,控制代碼就會(huì)以正常速度執(zhí)行一個(gè)完整的采樣周期。圖 2 在多線程應(yīng)用程序的上下文中進(jìn)一步說(shuō)明了這一概念。同步周期由“停止”和“繼續(xù)”信號(hào)標(biāo)識(shí)。可以看出,代碼在同步步驟之間以正常和嵌套的方式執(zhí)行。
這種模式稱為“偽實(shí)時(shí)操作”,能夠檢測(cè)和分析與控制算法的多線程執(zhí)行相關(guān)的潛在問(wèn)題,包括抖動(dòng)和資源損壞。它還可以查看延遲和裕度計(jì)算的處理器利用率。
PIL 的應(yīng)用
有幾種情況可用于 PIL,例如,在開(kāi)始開(kāi)發(fā)新的電源轉(zhuǎn)換器時(shí),可以編寫(xiě)和測(cè)試實(shí)際控制代碼,而無(wú)需任何控制或電源轉(zhuǎn)換硬件。PIL 模擬的所有要求都是低成本評(píng)估板上的 MCU。
PIL 方法有利于自下而上的軟件開(kāi)發(fā),允許在 PLECS 仿真的受控環(huán)境中實(shí)施和測(cè)試諸如濾波器和補(bǔ)償器之類(lèi)的構(gòu)建塊。然后可以將經(jīng)過(guò)單獨(dú)測(cè)試和驗(yàn)證的模塊組合成完整的控制應(yīng)用程序,并在應(yīng)用于實(shí)際硬件之前再次與 PLECS 一起進(jìn)行全面徹底的測(cè)試??刂拼a只需編寫(xiě),無(wú)需在仿真工具中重復(fù)。
在驗(yàn)證和測(cè)試階段,PIL 可以作為 HIL 的補(bǔ)充方法。與 HIL 相反,PIL 不需要專門(mén)的仿真硬件,并且仿真模型的復(fù)雜性/保真度不受限制,因?yàn)樗槐卣嬲龑?shí)時(shí)執(zhí)行。此外,如上所述,PIL 方法可以處理低功耗應(yīng)用中常見(jiàn)的非常高的采樣率。因此,相同的工廠模型可用于詳細(xì)的離線分析以及 PIL 仿真。與需要維護(hù)一個(gè)控制代碼實(shí)現(xiàn)類(lèi)似,PIL 允許工程師維護(hù)和使用單個(gè)仿真模型。
圖 3:PLECS 中帶有防孤島模型的太陽(yáng)能逆變器示意圖
PIL 方法也遠(yuǎn)優(yōu)于軟件在環(huán) (SIL) 方法,因?yàn)楹笳邿o(wú)法準(zhǔn)確重現(xiàn)多線程操作和處理器/編譯器特定行為。,PIL 允許隨時(shí)訪問(wèn)嵌入式軟件測(cè)試點(diǎn)(讀取和覆蓋探針),而無(wú)需重新編譯代碼。這使得 PIL 模擬成為產(chǎn)品發(fā)布后回歸測(cè)試和根本原因分析的強(qiáng)大工具。
使用 PIL 方法的外圍設(shè)備建模和示例應(yīng)用
在 PIL 模式下,控制代碼的操作與 MCU 的實(shí)際數(shù)字和模擬 I/O 完全隔離。因此,有必要在 PLECS 仿真模型中鏡像 MCU 外設(shè)(例如 ADC 和 PWM 模塊)。因此,Plexim 發(fā)布了一系列高保真 MCU 外設(shè)模型作為我們 PIL 產(chǎn)品的一部分。這些模型在行為上與實(shí)際 MCU 外設(shè)完全相同,并且位準(zhǔn)確。有關(guān) PLECS MCU 外設(shè)模型的更多信息,
示例應(yīng)用:具有防孤島功能的三級(jí)太陽(yáng)能逆變器
圖 3 顯示了 PIL 方法在并網(wǎng)太陽(yáng)能逆變器應(yīng)用中的工作情況。PLECS 電路的下半部分顯示了電廠的電氣模型,該電廠由一個(gè)光伏陣列組成,該陣列為通過(guò)三相濾波元件連接到電網(wǎng)的三級(jí)逆變器的分離直流鏈路供電。還顯示了符合 IEEE 1547 的防孤島測(cè)試負(fù)載。因此,該模型為逆變器控制的所有方面提供了一個(gè)虛擬測(cè)試臺(tái),包括為防止意外孤島而實(shí)施的方法。
需要強(qiáng)調(diào)的是,PLECS 模型不包含任何控制算法。與太陽(yáng)能逆變器示例應(yīng)用程序相關(guān)的所有控制代碼均采用純 C 語(yǔ)言編寫(xiě),并編程到 TI C2000 MCU 中。PIL 操作將結(jié)合上述工廠模型運(yùn)行實(shí)際的嵌入式控制代碼。
ADC 和增強(qiáng)型脈沖寬度調(diào)制器 (ePWM) 外設(shè)模型之間的 PIL 塊充當(dāng) PLECS 模型和 MCU 之間的接口。它提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的圖形用戶界面 (GUI),如圖 4 所示,顯示可用于覆蓋或讀取信號(hào)的探針列表(軟件“測(cè)試點(diǎn)”)。PIL 塊直接從編譯器生成的二進(jìn)制文件中包含的調(diào)試信息中提取可用測(cè)試點(diǎn)列表。因此,無(wú)需手動(dòng)配置即可在 PLECS 中定義和解釋探針。
圖 4:PIL 塊的 GUI 顯示可用探測(cè)器的列表
圖 5 顯示了完整的系統(tǒng)仿真結(jié)果,一旦鎖相環(huán)鎖定到傳感器電網(wǎng)電壓,逆變器就會(huì)被激活,以提供測(cè)試負(fù)載所消耗的功率。因此,電網(wǎng)電流降至接近零安培,在 t=50ms 時(shí)電網(wǎng)斷開(kāi),此時(shí)反孤島算法(滑移模式頻率偏移)會(huì)檢測(cè)到這種情況并關(guān)閉逆變器。請(qǐng)注意,在標(biāo)準(zhǔn) PC 上,整個(gè) PIL 系統(tǒng)仿真需要不到 40 秒的時(shí)間。
圖 5:PLECS 示波器顯示了具有防孤島效應(yīng) PIL 模擬的太陽(yáng)能逆變器的結(jié)果
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