基于FPGA的系統(tǒng)促進提高電機控制性能

　　電機在各種工業(yè)、汽車和商業(yè)領(lǐng)域應用廣泛。電機由驅(qū)動器控制，驅(qū)動器通過改變輸入功率來控制其轉(zhuǎn)矩、速度和位置。高性能電機驅(qū)動器可以提高效率，實現(xiàn)更快速、更精確的控制。高級電機控制系統(tǒng)集控制算法、工業(yè)網(wǎng)絡和用戶接口于一體，因此需要更多處理能力來實時執(zhí)行所有任務?，F(xiàn)代電機控制系統(tǒng)通常利用多芯片架構(gòu)來實現(xiàn)：數(shù)字信號處理器（DSP）執(zhí)行電機控制算法，FPGA 實現(xiàn)高速I/O 和網(wǎng)絡協(xié)議，微處理器處理執(zhí)行控制。

　　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。控制算法、網(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。基于模型的設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 ZynqSoC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?？刂破饕褳檫@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。基于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)。Avnet Zynq-7000All 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)钠帘巍７至麟娮枭系男〔罘蛛妷罕或?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蛣澐譃橛蒀代碼和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?？刂破髂Ｐ偷男袨榕c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。

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　　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。

　　Figure 12. ADI Linux infrastructure

　　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.mat Matlab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。

　　參考文獻

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　　Dara O‘Sullivan、Jens Sorensen 和Aengus Murray “閉環(huán)電機控制中基于模型的設計工具。”PCIM Europe， 2014.

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

　　AD-FMCMOTCON1-EBZ用戶指南。

　　Authors

　　Andrei Cozma ［andrei.cozma@analog.com］是ADI公司工程設計經(jīng)理，負責支持系 統(tǒng)級參考設計的設計與開發(fā)。他擁有工業(yè)自動化與信息技術(shù)學士學位及電子與電信博士學位。他參與了電機控制、工業(yè)自動化、軟件定義無線電和電信等不同行業(yè)領(lǐng)域的項目設計與開發(fā)。

　　Eric Cigan ［Eric.Cigan@mathworks.com］ 在MathWorks 從事技術(shù)營銷工作，負責支持SoC和FPGA設計工作流程。加入MathWorks之前，他先后在MathStar、AccelChip和Mentor Graphics從事技術(shù)營銷工作。Eric擁有麻省理工學院機械工程學士學位和碩士學位。