【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，為此類嵌入式應(yīng)用程序編寫軟件并非易事。
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)雜的控制和信號處理算法。MCU 通常可以取代多個(gè)分立元件，在某些情況下甚至可以消除對某些傳感器的需求。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，為此類嵌入式應(yīng)用程序編寫軟件并非易事。
在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用 MCU 的挑戰(zhàn)通常來自于開發(fā)和調(diào)試過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，通常幾乎沒有空間添加調(diào)試和故障排除功能。此外，開發(fā)人員通常被迫編寫非?！熬o湊”的代碼，有時(shí)甚至仍然使用匯編語言，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。開發(fā)和測試用于電源轉(zhuǎn)換的嵌入式代碼的另一個(gè)挑戰(zhàn)是高速執(zhí)行此類代碼（通常為 10 – 500 kHz）來控制功率級。這禁止使用傳統(tǒng)的調(diào)試器，因?yàn)檎{(diào)試器會暫停和停止應(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，專門用于幫助電力電子和嵌入式控制工程師測試、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，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反饋到模擬中以驅(qū)動虛擬環(huán)境。這種方法可以暴露特定于平臺的軟件缺陷，例如數(shù)值溢出和鑄造錯(cuò)誤。
PLECS PIL 方法與代碼的編寫/生成方式無關(guān)，不需要使用基于模型的開發(fā)方法。它僅依靠嵌入在代碼中的探針來讀取和覆蓋變量，其中這種 PIL 方法類似于在印刷電路板上放置測試點(diǎn)以允許注入和測量信號，例如用于在線測試 (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)一步說明了這一概念。同步周期由“停止”和“繼續(xù)”信號標(biāo)識。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”，能夠檢測和分析與控制算法的多線程執(zhí)行相關(guān)的潛在問題，包括抖動和資源損壞。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，在開始開發(fā)新的電源轉(zhuǎn)換器時(shí)，可以編寫和測試實(shí)際控制代碼，而無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估板上的 MCU。
PIL 方法有利于自下而上的軟件開發(fā)，允許在 PLECS 仿真的受控環(huán)境中實(shí)施和測試諸如濾波器和補(bǔ)償器之類的構(gòu)建塊。然后可以將經(jīng)過單獨(dú)測試和驗(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)行全面徹底的測試?？刂拼a只需編寫，無需在仿真工具中重復(fù)。
在驗(yàn)證和測試階段，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)訪問嵌入式軟件測試點(diǎn)（讀取和覆蓋探針），而無需重新編譯代碼。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太陽能逆變器
圖 3 顯示了 PIL 方法在并網(wǎng)太陽能逆變器應(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，該陣列為通過三相濾波元件連接到電網(wǎng)的三級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)虛擬測試臺，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 語言編寫，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的探針列表（軟件“測試點(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試點(diǎn)列表。因此，無需手動配置即可在 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，逆變器就會被激活，以提供測試負(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，此時(shí)反孤島算法（滑移模式頻率偏移）會檢測到這種情況并關(guān)閉逆變器。請注意，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 模擬的太陽能逆變器的結(jié)果
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