一、航空装备伺服控制系统开发与测试中的挑战
伺服系统广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、工业自动化等领域，随着伺服系统数字化、集成化的发展趋势，提高伺服系统的开发效率显得尤其重要。传统伺服系统控制原型/方法的验证与测试需建立在已有控制器硬件基础之上，在控制器未设计完成之前，无法实现控制方法的可行性验证与测试。
为解决上述问题，需要使用更先进、更便捷的伺服系统设计方法，利用有效的工具，合理的方法在提高伺服系统开发效率的同时降低成本。世冠科技"GCKontrol-GCAir基于模型的系统设计工具链 " 提供了一种高效、可靠的解决方案，能够为解决上述问题提供快速控制原型（RCP）半实物仿真环境，实现快速控制原型系统与真实被控对象之间的信号适配、信号调理。加速控制性能研发迭代、降低开发成本，使航空装备电机控制系统的设计和测试更加高效，进而推动技术创新和产业升级。本文将详细介绍其应用价值和实践经验。
图1 电机快速控制原型（RCP）测试基本原理
二、技术路线
本文将介绍以下两类航空装备电机控制系统开发及RCP测试。
1、基于电机控制板的RCP测试
首先基于GCKontrol进行电机控制系统、被控对象（电机组件等）建模与仿真测试；然后，将通过了仿真测试的电机控制系统模型生成C代码，导入电机控制板（例如STM32/DSP系列等控制板）中运行，将被控对象模型替换为电机组件实物及电机连接的负载、驱动板，进行电机快速控制原型（RCP）测试验证。其技术架构如下图所示。
图2 基于电机控制板的RCP测试技术路线图
2、基于GCAir实时仿真系统的RCP测试
同样的，首先基于GCKontrol进行电机控制系统、被控对象（电机组件等）建模与仿真测试；然后，将仿真测试通过的电机控制系统模型生成C代码，导入电机控制板（例如STM32/DSP系列等控制板）中运行，其他控制算法（例如速度曲线规划算法）可以以FMU形式运行在GCAir实时仿真机中。电机控制板通过总线板卡连接GCAir实时仿真机，电机组件实物及电机连接的负载、驱动器也通过总线板卡采集信号到GCAir实时仿真机。通过GCAir上位机操控仿真测试过程实现电机快速控制原型（RCP）测试验证。其技术架构如下图所示：
图3 基于GCAir实时仿真系统的RCP测试技术路线图
值得注意的是，根据不同的应用场景、需求变化以及技术选型，该技术架构还可以有其他变化形式。
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三、应用场景
航空装备电机控制系统开发与RCP测试
"GCKontrol-GCAir基于模型的系统设计工具链"可以应用于航空装备电机控制系统的设计和测试中来。通过这一工具链，可以快速完成控制系统模型的设计、C代码生成、虚拟仿真和RCP测试等一系列工作，大幅提高伺服控制系统的开发效率和质量。
图4 某电机控制系统开发与RCP测试技术架构图示例
对于航空装备电机控制系统开发与RCP测试的应用场景示例，以下是详细介绍：
1、需求分析
首先明确航空装备电机控制系统的需求，包括但不限于电机的速度控制、位置控制、转矩控制等。同时确定系统的输入输出信号和控制逻辑。
2、设计阶段
使用GCKontrol进行控制系统设计和算法开发。GCKontrol内置丰富的白盒示例模型：电机控制算法模型（FOC矢量控制模型、SVPWM模型、PID控制算法模型、电流滞环控制模型等）、电机本体模型（PMSM（永磁三相同步电机）本体模型、BLDC电机本体模型等）、传感器模型（霍尔传感器模型、旋转变压器模型等），方便用户快速搭建电机的数学模型和控制算法模型，并通过仿真测试及时发现并修正控制算法模型中存在的问题。这一阶段，可以在没有实际硬件的情况下模拟电机的运行状态和行为，验证控制算法的正确性和有效性。
图5 基于GCKontrol的PMSM电机建模示例
图6 基于GCKontrol的BLDC电机建模示例
基于GCKontrol进行控制系统设计和算法开发具有以下优势：
丰富的建模元素库： 支持多种控制算法的构建，如PID控制、LQR控制、MPC控制等，同时也可以构建各种被控对象的机理模型。
状态图建模功能 ： 方便描述电机控制系统的执行逻辑、决策逻辑、计算逻辑、故障管理等。
兼容性高： 提供C-Code模块、Simulink模型转换为GCKontrol模型插件，可以方便导入用户已有的电机控制算法C/C++代码、Simulink模型，提高了电机控制算法建模的灵活性、通用性、扩展性。
内置示例工程： 提供PMSM电机模型、BLDC电机模型、电机控制FOC算法等白盒模型，方便开展电机控制算法设计与仿真分析。
3、代码生成与集成
通过GCKontrol自动生成高可读性的C代码，将生成的代码集成到航空装备电机的控制板中，确保代码与硬件开发板的兼容性并根据需求进行调整。
基于GCKontrol的代码生成与集成具有以下优势：
代码高可读性： 自动生成高可读性的C代码，模型的block与代码段一一对应。
适配性强： 生成的C代码不依赖库，适配主流国产、非国产硬件芯片，包括DSP28335、DSP6713、STM32、GD32等系列芯片。
资源占用少： 支持将模型设置为定点计算进行仿真分析，自动生成定点计算C代码，减少资源占用，提高运行效率。
简化开发： 通过开发板自带的IDE集成工具转化，形成可执行的嵌入式代码，简化了开发流程。
图7 GCKontrol 嵌入式代码生成与集成案例
4、RCP测试与优化
进行基于GCAir的电机快速控制原型（RCP）测试。
这一环节旨在对生成的算法模型在实际部署前进行全面的功能确认，核心关注点在于算法功能的有效性和是否能与项目需求充分契合。根据测试得到的数据和反馈，再实施必要的算法优化和系统调整工作，以持续提升整体系统的性能水平和运行稳定性。
基于GCAir平台开展RCP测试与优化具备以下几个显著优点：
真实电气环境模拟： 在RCP测试中，被控对象直接采用实际物理设备（例如电机实体、操纵杆实物或负载装置），通过真实的线束传递反馈信号和控制指令，确保了算法在贴近实际工况下的表现得以精准评估。
高低速率的控制算法灵活处理： 针对不同速率要求的控制算法，采取差异化部署策略。诸如电机电流环、位置环、速度环等高速运算部分的控制算法会被转化为C代码并烧录至电机控制板硬件中执行；而那些对计算速率要求较低的控制算法（比如源于电传操纵系统或飞行控制系统中的控制律算法），则会以FMU形式，在GCAir实时仿真机中高效运行。
5、实际应用与维护
经过充分验证和测试后，将最终控制算法应用于实际的航空装备电机控制器中。运行过程中，定期进行维护和性能检查，确保系统的稳定性和可靠性。
四、总结
随着航空装备伺服控制系统的发展升级，高效、可靠的开发与测试工具显得尤为关键。在这个过程中，国产工业软件迅速崛起，发挥越来越重要的作用，世冠科技作为国产系统仿真软件的领军者，将继续加强技术创新和产品研发，用自主研发的"GCKontrol-GCAir基于模型的系统设计工具链"为航空装备电机控制系统的快速开发与RCP测试提供技术支持，为航空工业的快速发展和产业升级贡献更多力量。