隨著片上系統(tǒng)(SoC)的出現(xiàn)，例如集 CPU 的靈活性與 FPGA 的處 理能力于一體的 Xilinx® Zynq All Programmable SoC，設計人員終于能夠?qū)㈦姍C控制功能和其他處理任務納入單個器件中?？刂扑惴ā⒕W(wǎng)絡和其他處理密集型任務被分流到可編程邏輯，而管理控制、系統(tǒng)監(jiān)控與診斷、用戶接口以及調(diào)試則由處理單元處理?？删幊踢壿嬁梢园鄠€并行工作的控制內(nèi)核，以實現(xiàn)多軸機器或多重控制系統(tǒng)。由于在單芯片上實現(xiàn)了完整的控制器，因此硬件設計可以更簡單、更可靠、更便宜。

 

近年來，在 MathWorks®Simulink®等軟件建模與仿真工具的推動下，基于模型的設計已發(fā)展成為完整的設計流程——從模型創(chuàng)建到實現(xiàn)2 ?；谀Ｐ偷脑O計 改變了工程師和科學家的工作方式，把設計任務從實驗室和現(xiàn)場轉(zhuǎn)移到桌面?，F(xiàn)在，包括工廠和控制器在內(nèi)的整個系統(tǒng)都可以建模，工程師可以先調(diào)整好控制器的行為，再將其部署到現(xiàn)場。這樣就能降低受損風險，加速系統(tǒng)集成，減少對設備供貨的依賴。一旦完成控制模型，Simulink 環(huán)境便可將其自動轉(zhuǎn)換為由控制系統(tǒng)運行的 C 和 HDL 代碼，節(jié)省時間并避免人工編程錯誤。將系統(tǒng)模型鏈接到快速原型開發(fā)環(huán)境可進一步降低風險，因為后者允許觀察控制器在實際條件下會如何運作。

 

一個可實現(xiàn)更高電機控制性能的完整開發(fā)環(huán)境利用 Xilinx Zynq SoC 實現(xiàn)控制器，MathWorks Simulink 用于進行基于模型的設計 和自動生成代碼，ADI 公司的 智能驅(qū)動器套件用于快速開發(fā)驅(qū)動系統(tǒng)原型。

 

Xilinx FPGA 與 SoC 電機控制解決方案

 

高級電機控制系統(tǒng)必須全面執(zhí)行控制、通信和用戶接口任務，每 種任務都有不同的處理帶寬要求和實時約束。為了實現(xiàn)這樣的控 制系統(tǒng)，所選的硬件平臺必須魯棒且可擴展，以便為將來的系統(tǒng) 改進和擴張創(chuàng)造條件。Zynq All Programmable SoC 集高性能處理 系統(tǒng)與可編程邏輯于一體，滿足上述要求（如圖 1 所示）。這種 組合可提供出色的并行處理能力、實時性能、快速計算和靈活的 連接。該 SoC 集成了兩個 Xilinx 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(XADC)，用于監(jiān)控 系統(tǒng)或外部模擬傳感器。

 

圖 1. Xilinx Zynq SoC 功能框圖

 

Zynq 包括一個雙核 ARM Cortex-A9 處理器、一個 NEON 協(xié)處理 器和多個用于加速軟件執(zhí)行的浮點擴展單元。處理系統(tǒng)處理管理 控制、運動控制、系統(tǒng)管理、用戶接口和遠程維護等任務，這些 功能非常適合通過軟件實現(xiàn)。為了發(fā)揮系統(tǒng)的能力，可以采用嵌 入式 Linux 或?qū)崟r操作系統(tǒng)。可以使用自給自足的處理器，而無 需配置可編程邏輯。這樣，軟件開發(fā)人員編寫代碼與硬件工程師 設計 FPGA 結(jié)構(gòu)可以同時進行。

 

在可編程邏輯方面，該器件擁有多達 444,000 個邏輯單元和 2200 個 DSP Slice，可提供巨大的處理帶寬。FPGA 結(jié)構(gòu)可擴展，因而 用戶的選擇范圍很廣——從包含 28,000 個邏輯單元的小型器件到 支持最具挑戰(zhàn)性的信號處理應用的高端器件。5 個 AMBA-4 AXI 高速互連將可編程邏輯緊密地耦合到處理系統(tǒng)，提供相當于 3000 以上引腳的有效帶寬?？删幊踢壿嬤m合執(zhí)行時間關(guān)鍵的處理密集 型任務，如實時工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議等，而且它支持多個控制內(nèi)核并 行工作，以實現(xiàn)多軸機器或多重控制系統(tǒng)。

 

基于 Xilinx All Programmable SoC 的解決方案和平臺滿足當今復 雜控制算法（如磁場定向控制 FOC）和復雜調(diào)制方案（如 Xilinx 和 Qdesys 設計的再生脈沖頻率調(diào)制器³ ）所提出的關(guān)鍵時序和性 能要求。

 

利用 MathWorks Simulink 實現(xiàn)基于模型的設計

 

Simulink 是一種支持多域仿真和基于模型設計的框圖環(huán)境，非常 適合對包括控制算法和工廠模型的系統(tǒng)進行仿真。為了實現(xiàn)精確 定位等目的，電機控制算法會調(diào)節(jié)速度、轉(zhuǎn)矩和其他參數(shù)。利用 仿真評估控制算法可以有效地確定電機控制設計是否合適，判斷 其合適后再進行昂貴的硬件測試，從而減少算法開發(fā)的時間和成 本。圖 2 給出了設計電機控制算法的有效工作流程：

 

● 構(gòu)建精確的控制器和工廠模型，常常是根據(jù)電機、驅(qū)動電子、傳感器和負載的資源庫

● 對系統(tǒng)行為進行仿真以驗證控制器的表現(xiàn)是否符合預期

● 產(chǎn)生 C 代碼和 HDL 進行實時測試和實施

● 利用原型硬件測試控制算法

● 在原型硬件上進行仿真和測試后，如果控制系統(tǒng)證明令人滿意，則將控制器部署到最終生產(chǎn)系統(tǒng)上

 

圖 2. 電機控制算法設計的工作流程

 

MathWorks產(chǎn)品包括Control System Toolbox,™ SimPowerSystems,™ 和 Simscape™ 提供工業(yè)標準算法和應用程序以對線性控制系統(tǒng) 進行系統(tǒng)化分析、設計和調(diào)諧，此外還有元件庫和分析工具，用 于對機械、電氣、液壓和其他物理領(lǐng)域的各種系統(tǒng)進行建模和仿 真。利用這些工具可以創(chuàng)建高保真的工廠和控制器模型，進而驗 證控制系統(tǒng)的行為和性能，成功之后方移交實際實施。該仿真環(huán) 境是驗證極端功能情形和工作狀況的理想場所，確?？刂破饕褳?這些狀況做好準備，并且其實際操作對設備和工作人員都將是安 全的。

 

一旦控制系統(tǒng)在仿真環(huán)境中完成了全面驗證，就可以利用嵌入式 轉(zhuǎn)碼器和 HDL 轉(zhuǎn)碼工具將其轉(zhuǎn)換為 C 代碼和 HDL，并部署到原 型硬件上進行測試，然后部署到最終生產(chǎn)系統(tǒng)上。此時要指定定 點和時序行為等軟硬件實施要求。自動生成代碼有助于縮短從概 念到實際系統(tǒng)實現(xiàn)所需的時間，消除編程錯誤，確保實際結(jié)果與 模型相符。圖 3 給出了在 Simulink 中進行電機控制器建模并將其 轉(zhuǎn)移到最終生產(chǎn)系統(tǒng)所需的實際步驟。

 

圖 3. 從仿真到生產(chǎn)的過程

 

第一步是在 Simulink 中對控制器和工廠進行建模和仿真。在這一 階段，控制器算法被劃分為在軟件中實現(xiàn)的模塊和在可編程邏輯 中實現(xiàn)的模塊。劃分和仿真完成后，利用嵌入式轉(zhuǎn)碼器和 HDL 轉(zhuǎn)碼器將控制器模型轉(zhuǎn)換為 C 代碼和 HDL?；?Zynq 的原型系 統(tǒng)驗證控制算法的性能，并且?guī)椭M一步調(diào)諧控制器模型，然后 轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)階段。在生產(chǎn)階段，將自動生成的 C 代碼和 HDL 集 成到復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)框架中。此工作流程確?？刂扑惴ㄔ谶_到 生產(chǎn)階段之前經(jīng)過全面驗證和測試，使得系統(tǒng)魯棒性具有高可 信度。

 

利用 ADI 公司智能驅(qū)動器套件快速完成原型開發(fā)

 

選擇合適的原型開發(fā)硬件是設計過程的一個主要步驟。ADI 公司 的智能驅(qū)動器套件支持快速、高效的原型開發(fā)。AvnetZynq-7000 All Programmable SoC/Analog Devices智能驅(qū)動器套件將 Zynq- 7000 All Programmable SoC ARM 雙核 Cortex-A9 + 28 nm 可編程 邏輯與 ADI 公司最新一代高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字隔離相 結(jié)合，可實現(xiàn)高性能電機控制和雙通道千兆以太網(wǎng)工業(yè)網(wǎng)絡連 接。該套件帶有 Avnet ZedBoard 7020 基板和 ADI 公司的 AD-FMCMOTCON1-EBZ 模塊，構(gòu)成一個完整的驅(qū)動系統(tǒng)，能夠 高效控制多種類型的電機。另外，該套件可以利用 ADI 公司的 AD-DYNO1-EBZ 測功器驅(qū)動系統(tǒng)，進行擴展，后者是一個動態(tài)可調(diào) 的負載，可用來測試實時電機控制性能。AD-FMCMOTCON1-EBZ 模塊由控制器和驅(qū)動板組成，如圖 4 所示。

 

圖 4. AD-FMCMOTCON1-EBZ 功能框圖

 

控制板是一個混合信號 FPGA 夾層卡 (FMC)，可利用低引腳數(shù) (LPC) 或高引腳數(shù) (HPC) FMC 連接器連接到任何 Xilinx FPGA 或 SoC 平臺。它具有以下特性：

 

● 利用隔離式 ADC 測量電流和電壓

● 隔離式 Xilinx XADC 接口

● 完全隔離的數(shù)字控制和反饋信號

● 霍爾、差分霍爾、編碼器和旋變器接口

● 2 個千兆以太網(wǎng)物理層，支持 EtherCAT、ProfiNET、Ethernet/IP或 Powerlink 等高速工業(yè)通信協(xié)議

● FMC 信號電壓自適應接口，支持在所有 FMC 電壓電平上無縫工作

 

隔離是任何電機控制系統(tǒng)的一個關(guān)鍵方面，其目的是保護控制器 和用戶?？刂瓢迳夏M和數(shù)字信號的完全隔離，確保 FPGA 平臺 永遠不受電機驅(qū)動側(cè)可能產(chǎn)生的危險電壓影響。

 

驅(qū)動板包含驅(qū)動電機以及電流電壓檢測與保護電路所需的全部電源電子。該板具有以下特性：

 

● 以最大 18 A 電流驅(qū)動 12 V 至 48 V 范圍的 BLDC（無刷直流）/PMSM（永磁同步電機）/有刷直流/步進電機

● 動態(tài)制動功能和集成式過流與反向電壓保護

● 利用隔離式 ADC 測量相電流；可編程增益放大器使電流測量輸入范圍達到最大

● 向控制板提供直流總線電壓、相電流和總電流反饋信號

● 集成 BEMF 過零檢測，用于實現(xiàn) PMSM 或 BLDC 電機的無傳感器控制

 

測功器是一個動態(tài)可調(diào)的負載，可用于測試實時電機控制性 能，由兩臺 BLDC 電機通過剛性連接直接耦合而成。其中一臺 BLDC 電機用作負載，由測功器的嵌入式控制系統(tǒng)控制，而另 一臺由 ADI 公司的智能驅(qū)動器套件驅(qū)動，如圖 5 所示。該系統(tǒng) 配有一個用戶界面，用于顯示有關(guān)負載電流和速度的信息，并 支持設置不同的負載曲線。要實現(xiàn)外部控制，可利用 Analog Discovery USB 示波器捕捉負載信號；要從 MATLAB®直接控 制，可使用 MathWorks Instrument Control Toolbox™。

 

圖 5. 測功器驅(qū)動系統(tǒng)

 

電機電流和電壓測量的質(zhì)量對電機控制系統(tǒng)的性能有很大影響。 通過利用高性能模擬信號調(diào)理器件和 ADC，ADI 公司智能驅(qū)動 器套件提供精密電流和電壓測量。測量路徑分為控制器和驅(qū)動板 兩部分，如圖 6 所示。

 

圖 6. 相電流信號鏈

 

相電流通過測量分流電阻上的電壓來檢測。取決于 ADC 是否靠 近分流電阻，有兩條可能的測量路徑可以獲得最高測量精度。如 果 ADC 靠近分流電阻，則信號路徑非常短，不易受到噪聲耦合 影響。分流電阻上的小差分電壓由隔離式Σ-Δ調(diào)制器AD7401直 接測量，而無需其他接口和信號調(diào)理電路。如果 ADC 遠離分流 電阻，則信號路徑很長，容易受到噪聲耦合影響，尤其是電源開 關(guān)噪聲和電機的噪聲耦合。必須采取特別措施確保 ADC 與分流 電阻之間的 PCB 走線和信號調(diào)理電路受到適當?shù)钠帘?。分流?阻上的小差分電壓被驅(qū)動板上的差動放大器AD8207 放大，后者 置于分流電阻附近以避免噪聲耦合。信號從±125 mV 滿量程輸 入范圍放大至±2.5 V 范圍，以最大程度地降低耦合噪聲的影 響。放大后的信號又經(jīng)過一個采用可編程增益儀表放大器(PGIA)AD8251的放大級，以確保 ADC 始終接收到經(jīng)過適當縮放以適應 輸入范圍的輸入信號。放大后的模擬信號經(jīng)過連接器進入控制 板。連接器會屏蔽每個模擬信號，以降低噪聲耦合影響。來自驅(qū) 動板的模擬信號利用運算放大器ADA4084-2重新轉(zhuǎn)換到AD7401輸入范圍。

 

電流和電壓反饋信號鏈中的最重要器件是二階隔離式Σ-Δ調(diào)制 器 AD7401A。這款高性能 ADC 具有 16 位分辨率（無失碼）、 13.3有效位數(shù)(ENOB)和 83 dB SNR。2線數(shù)字接口包括一個 20 MHz 時鐘輸入和一個 1 位數(shù)字位流輸出。ADC 輸出利用 sinc3 數(shù)字濾 波器重構(gòu)。數(shù)據(jù)手冊中提供了一個針對 16 位輸出和 78 kHz 采樣 速率的濾波器模型和 HDL 實現(xiàn)方案。輸出分辨率和采樣速率可 通過改變?yōu)V波器模型和抽取來控制。78 kHz 采樣速率對許多應用 可能是足夠的，但某些情況需要更高的速率。這些情況下，可利 用圖 7 所示的濾波器庫來將系統(tǒng)采樣速率提至最高 10 MSPS （真 16 位數(shù)據(jù)）。濾波器庫包含 n 個 sinc3濾波器，其采樣時鐘 延遲 T（即 sinc3濾波器傳播時間除以 n）的倍數(shù)。數(shù)據(jù)選擇器以 周期T輸出 ADC 碼。

 

圖 7. 濾波器庫

 

相電流測量也可以由 Zynq XADC 執(zhí)行。XADC 信號測量鏈使用 常規(guī)測量鏈的完整路徑，并在 AD7401 Σ-Δ調(diào)制器之后增加一 個 Sallen-Key 模擬重構(gòu)濾波器。該濾波器是在控制板上利用運算 放大器AD8646實現(xiàn)，如圖 8 所示。隔離式Σ-Δ調(diào)制器和模擬重構(gòu)濾波器的組合為實現(xiàn) XADC 輸入信號的模擬隔離提供了一種便利、低成本的方法，同時不影響測量質(zhì)量。

 

圖8. XADC 信號測量鏈

 

ADI 公司智能驅(qū)動器套件帶有一套 Simulink 控制器模型、完整的Xilinx Vivado 框架和 ADI Linux 基礎設施，便于用戶完成電機控制系統(tǒng)設計所需的全部步驟——從仿真開始，經(jīng)過原型開發(fā)，最終在生產(chǎn)系統(tǒng)上實現(xiàn)。

 

可以利用兩個控制器模型（一個六步控制器和一個 PMSM 磁場定向控制器）來啟動設計過程。圖 9 顯示了這兩個控制器的高級視圖。六步控制器實現(xiàn)一個用于 BLDC 電機的梯形控制器；FOC控制器提供一個 FOC 內(nèi)核以便集成到控制系統(tǒng)中。

 

圖 9. Simulink 控制器模型

 

工廠和控制器模型在仿真階段創(chuàng)建，通過完整系統(tǒng)的行為仿真來驗證控制器符合預期?？刂破髂Ｐ蛣澐譃橛?C 代碼和 HDL 實現(xiàn)的多個部分，并指定時序、定點實現(xiàn)、采樣速率和環(huán)路時間等約束條件以確保控制器模型的行為與在硬件實現(xiàn)中一樣。圖 10 顯示了六步控制器的軟件和 HDL 劃分。

 

圖 10. 控制器的 C 代碼和 HDL 劃分

 

一旦控制器在仿真中經(jīng)過全面驗證，下一步便是在硬件平臺上制作原型。針對 ARM 內(nèi)核和可編程邏輯，Zynq SoC 引導工作流程從劃分為多個子系統(tǒng)的 Simulink 模型產(chǎn)生 C 代碼和 HDL。利用此工作流程，HDL 轉(zhuǎn)碼器生成針對可編程邏輯的 HDL，嵌入式轉(zhuǎn)碼器則生成針對 ARM 的 C 代碼。MathWorks Zynq 支持包支持從模型生成由算法 C 代碼組成的 ARM 可執(zhí)行文件（與 AXI 總線接口），并支持從模型生成由 HDL 代碼組成的位流（與可編程邏輯引腳和 AXI 總線接口）。圖 11 顯示了控制器實現(xiàn)及其與ADI 智能驅(qū)動器硬件的關(guān)系。

 

圖 11. 原型系統(tǒng)上的控制器實現(xiàn)

 

一旦將位流和可執(zhí)行文件加載到硬件中，就可以開始控制器的運行測試。利用 Simulink 與運行開源 Linux OS 的嵌入式系統(tǒng)之間的以太網(wǎng)鏈路執(zhí)行硬件在環(huán)(HIL)測試。軸轉(zhuǎn)速等電機參數(shù)可以在 Simulink 中捕捉，并與仿真結(jié)果相比較，確保實際系統(tǒng)實現(xiàn)與模型相符。一旦控制算法測試完畢，便可將控制器轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)系統(tǒng)上。

 

除了智能驅(qū)動器套件以外，ADI 公司還提供完整的 Vivado 框架和 Linux 基礎設施以用于原型開發(fā)和最終生產(chǎn)。圖 12 顯示了支持智能驅(qū)動器套件的 Zynq 基礎設施。該高級框圖說明了 ADI 參考設計在 Xilinx Zynq SoC 上是如何劃分的?？删幊踢壿媽崿F(xiàn) IP內(nèi)核，用于與 ADC、位置傳感器和電機驅(qū)動級接口。由 HDL 轉(zhuǎn)碼器生成的 HDL 代表電機控制算法，集成到 ADI 公司 IP 中。所有 IP 都有低速 AXI-Lite 接口用于配置和控制，并有高速 AXIStreaming接口用于通過 DMA 通道向軟件傳輸實時數(shù)據(jù)。高速以太網(wǎng)接口可以利用 ARM 處理系統(tǒng)的硬 MAC 外設或可編程邏輯中的 Xilinx 以太網(wǎng) IP 實現(xiàn)。

 

ARM Cortex A9 處理系統(tǒng)運行 ADI 公司提供的 Ubuntu Linux，其中包括：與 ADI 公司智能驅(qū)動器硬件接口所需的 Linux IIO 驅(qū)動，用于監(jiān)測和控制的IIO Oscilloscope（示波器）用戶空間應用程序，支持實時數(shù)據(jù)采集和通過 TCP 控制系統(tǒng)的libiio服務器，在遠程計算機上運行的客戶端，以及整合嵌入式轉(zhuǎn)碼器所生成 C代碼的可選用戶應用程序。

 

圖 12. ADI Linux 基礎設施

 

所有 ADI Linux 驅(qū)動均基于 Linux 工業(yè) I/O(IIO)子系統(tǒng)，其現(xiàn)已包括在所有主流 Linux 內(nèi)核中。IIO Scope 是 ADI 公司開發(fā)的一款開源 Linux 應用程序，運行在 Xilinx Zynq 中的雙核 ARMCortex A9 上，能夠顯示連接到 Xilinx Zynq 平臺的 ADI FMC 卡所獲取的實時數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以在時域中、頻域中或以星座圖的形式顯示。支持以不同的常用文件格式（如逗號分隔值或.matMatlab 文件等）保存所捕獲的數(shù)據(jù)以供進一步分析。IIO Scope提供一個圖形用戶界面，用于更改或讀取 ADI FMC 卡的配置。

 

libiio 服務器支持實時數(shù)據(jù)采集、通過 TCP 控制系統(tǒng)以及運行于遠程計算機上的客戶端。服務器運行于 Linux 下的嵌入式目標上，通過 TCP 管理目標與遠程客戶端之間的實時數(shù)據(jù)交換。IIO客戶端可以作為系統(tǒng)對象集成到 MATLAB 和 Simulink 原生應用程序中。一路 HDMI 輸出用于在監(jiān)視器上顯示 Linux 界面，鼠標和鍵盤可通過 USB 2.0 端口連接到系統(tǒng)。

 

ADI 公司為智能驅(qū)動器套件提供的 Linux 軟件和 HDL 基礎設施，連同 MathWorks 和 Xilinx 提供的工具，非常適合開發(fā)電機控制應用原型。它們還包含適用于生產(chǎn)的組件，可將其集成到最終控制系統(tǒng)中，從而減少從概念到生產(chǎn)所需的時間和成本。

 

結(jié)論

 

本文說明了采用 FPGA 的現(xiàn)代電機控制系統(tǒng)的要求和趨勢，以及為滿足這些約束條件和幫助實現(xiàn)更高效、更精確的電機控制解決方案，MathWorks、Xilinx 和 ADI 公司帶給市場的工具和系統(tǒng)。通過將 MathWorks 基于模型的設計和自動生成代碼工具與強大的Xilinx Zynq SoC、ADI 公司的隔離、功率、信號調(diào)理和測量解決方案相結(jié)合，電機驅(qū)動系統(tǒng)的設計、驗證、測試和實現(xiàn)可以比以前更有效率，進而提高電機控制性能并縮短上市時間。ADI 公司智能驅(qū)動器套件與 Avnet Zynq-7000 All Programmable SoC 配合使用，為利用 MathWorks Simulink 設計的電機控制算法提供出色的原型開發(fā)環(huán)境。該智能驅(qū)動器套件帶有一組參考設計 4，旨在為所有希望評估該系統(tǒng)的人士提供一個起點，并且?guī)椭鷨尤魏涡碌碾姍C控制項目。

 

參考電路

 

1. Hill, Tom. ""借助 Matlab 將電機驅(qū)動遷移到 Zynq SoC 設計中。." Xcell 雜志，87 期，2014 年第二季度

 

2. O''''''''Sullivan, Dara, Jens Sorensen, 和 Anders Frederiksen. ""閉環(huán)電機控制中基于模型的設計工具." PCIM Europe, 2014.

 

3. Corradi, Dr. Giulio. ""頻率空間矢量調(diào)制—第一部分." 網(wǎng)絡， 2012 年 10 月 4 日。

 

4. AD-FMCMOTCON1-EBZ 用戶指南。

 

 

推薦閱讀：