ADI:根据 FPGA 的体系进步电机操控功能

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简介

电机在各种工业、轿车和商业范畴运用广泛。电机由驱动器操控，驱动器经过改动输入功率来操控其转矩、速度和方位。高功用电机驱动器能够进步功率，完结更快速、更准确的操控。高档电机操控体系集操控算法、工业网络和用户接口于一体，因此需求更多处理才能来实时履行一切使命。现代电机操控体系一般运用多芯片架构来完结：数字信号处理器(DSP)履行电机操控算法，FPGA 完结高速 I/O 和网络协议，微处理器处理履行操控¹。

跟着片上体系(SoC)的呈现，例如集 CPU 的灵敏性与 FPGA 的处理才能于一体的 Xilinx^® Zynq All Programmable SoC，规划人员总算能够将电机操控功用和其他处理使命归入单个器材中。操控算法、网络和其他处理密集型使命被分流到可编程逻辑，而办理操控、体系监控与确诊、用户接口以及调试则由处理单元处理。可编程逻辑能够包括多个并行作业的操控内核，以完结多轴机器或多重操控体系。由于在单芯片上完结了完好的操控器，因此硬件规划能够更简略、更牢靠、更廉价。

近年来，在 MathWorks^®Simulink^®等软件建模与仿真东西的推进下，依据模型的规划已开展成为完好的规划流程——从模型创立到完结²。依据模型的规划 改动了工程师和科学家的作业方式，把规划使命从实验室和现场转移到桌面。现在，包括工厂和操控器在内的整个体系都能够建模，工程师能够先调整好操控器的行为，再将其布置到现场。这样就能下降受损风险，加快体系集成，削减对设备供货的依靠。一旦完结操控模型，Simulink 环境便可将其主动转化为由操控体系运转的 C 和 HDL 代码，节省时刻并防止人工编程过错。将体系模型链接到快速原型开发环境可进一步下降风险，由于后者答应调查操控器在实践条件下会怎么运作。

一个可完结更高电机操控功用的完好开发环境运用 Xilinx ZynqSoC 完结操控器，MathWorks Simulink 用于进行依据模型的规划和主动生成代码，ADI 公司的 智能驱动器套件用于快速开发驱动体系原型。

Xilinx FPGA 与 SoC 电机操控解决计划

高档电机操控体系有必要全面履行操控、通讯和用户接口使命，每种使命都有不同的处理带宽要求和实时束缚。为了完结这样的操控体系，所选的硬件渠道有必要鲁棒且可扩展，以便为将来的体系改善和扩张创造条件。Zynq All Programmable SoC 集高功用处理体系与可编程逻辑于一体，满意上述要求（如图 1 所示）。这种组合可供给超卓的并行处理才能、实时功用、快速核算和灵敏的衔接。该 SoC 集成了两个 Xilinx 模数转化器(XADC)，用于监控体系或外部模仿传感器。

Zynq 包括一个双核 ARM Cortex-A9 处理器、一个 NEON 协处理器和多个用于加快软件履行的浮点扩展单元。处理体系处理办理操控、运动操控、体系办理、用户接口和长途维护等使命，这些功用十分适宜经过软件完结。为了发挥体系的才能，能够选用嵌入式 Linux 或实时操作体系。能够运用自给自足的处理器，而无需装备可编程逻辑。这样，软件开发人员编写代码与硬件工程师规划 FPGA 结构能够一起进行。

在可编程逻辑方面，该器材具有多达 444,000 个逻辑单元和 2200个 DSP Slice，可供给巨大的处理带宽。FPGA 结构可扩展，因此用户的挑选规模很广——从包括 28,000 个逻辑单元的小型器材到支撑最具挑战性的信号处理运用的高端器材。5 个 AMBA-4 AXI高速互连将可编程逻辑严密地耦合到处理体系，供给相当于 3000以上引脚的有用带宽。可编程逻辑适宜履行时刻要害的处理密集型使命，如实时工业以太网协议等，而且它支撑多个操控内核并行作业，以完结多轴机器或多重操控体系。

依据 Xilinx All Programmable SoC 的解决计划和渠道满意当今杂乱操控算法（如磁场定向操控 FOC）和杂乱调制计划（如 Xilinx和 Qdesys 规划的再生脉冲频率调制器³）所提出的要害时序和功用要求。

运用 MathWorks Simulink 完结依据模型的规划

Simulink 是一种支撑多域仿真和依据模型规划的框图环境，十分适宜对包括操控算法和工厂模型的体系进行仿真。为了完结准确认位等意图，电机操控算法会调度速度、转矩和其他参数。运用仿真评价操控算法能够有用地确认电机操控规划是否适宜，判别其适宜后再进行贵重的硬件测验，然后削减算法开发的时刻和本钱。图 2 给出了规划电机操控算法的有用作业流程：

• 构建准确的操控器和工厂模型，常常是依据电机、驱动电子、传感器和负载的资源库
• 对体系行为进行仿真以验证操控器的体现是否契合预期
• 发生 C 代码和 HDL 进行实时测验和施行
• 运用原型硬件测验操控算法
• 在原型硬件上进行仿真和测验后，假如操控体系证明令人满意，则将操控器布置到终究出产体系上

MathWorks产品包括Control System Toolbox,™ SimPowerSystems,™ 和 Simscape™ 供给工业规范算法和运用程序以对线性操控体系进行体系化剖析、规划和调谐，此外还有元件库和剖析东西，用于对机械、电气、液压和其他物理范畴的各种体系进行建模和仿真。运用这些东西能够创立高保真的工厂和操控器模型，然后验证操控体系的行为和功用，成功之后方移送实践施行。该仿真环境是验证极点功用景象和作业状况的抱负场所，保证操控器已为这些状况做好预备，而且其实践操作对设备和作业人员都将是安全的。

一旦操控体系在仿真环境中完结了全面验证，就能够运用嵌入式转码器和 HDL 转码东西将其转化为 C 代码和 HDL，并布置到原型硬件上进行测验，然后布置到终究出产体系上。此刻要指定定点和时序行为等软硬件施行要求。主动生成代码有助于缩短从概念到实践体系完结所需的时刻，消除编程过错，保证实践成果与模型相符。图 3 给出了在 Simulink 中进行电机操控器建模并将其转移到终究出产体系所需的实践进程。

榜首步是在 Simulink 中对操控器和工厂进行建模和仿真。在这一阶段，操控器算法被区分为在软件中完结的模块和在可编程逻辑中完结的模块。区分和仿真完结后，运用嵌入式转码器和 HDL转码器将操控器模型转化为 C 代码和 HDL。依据 Zynq 的原型体系验证操控算法的功用，而且协助进一步调谐操控器模型，然后转移到出产阶段。在出产阶段，将主动生成的 C 代码和 HDL 集成到杂乱的出产体系结构中。此作业流程保证操控算法在到达出产阶段之前经过全面验证和测验，使得体系鲁棒性具有高可信度。

运用 ADI 公司智能驱动器套件快速完结原型开发

挑选适宜的原型开发硬件是规划进程的一个首要进程。ADI 公司的智能驱动器套件支撑快速、高效的原型开发。AvnetZynq-7000 All Programmable SoC/Analog Devices智能驱动器套件将 Zynq-7000 All Programmable SoC ARM 双核 Cortex-A9 + 28 nm 可编程逻辑与 ADI 公司最新一代高精度数据转化器和数字阻隔相结合，可完结高功用电机操控和双通道千兆以太网工业网络衔接。该套件带有 Avnet ZedBoard 7020 基板和 ADI 公司的AD-FMCMOTCON1-EBZ 模块，构成一个完好的驱动体系，能够高效操控多种类型的电机。别的，该套件能够运用 ADI 公司的AD-DYNO1-EBZ 测功器驱动体系，进行扩展，后者是一个动态可调的负载，可用来测验实时电机操控功用。AD-FMCMOTCON1-EBZ模块由操控器和驱动板组成，如图 4 所示。

操控板是一个混合信号 FPGA 夹层卡 (FMC)，可运用低引脚数(LPC) 或高引脚数 (HPC) FMC 衔接器衔接到任何 Xilinx FPGA 或SoC 渠道。它具有以下特性：

• 运用阻隔式 ADC 丈量电流和电压
• 阻隔式 Xilinx XADC 接口
• 彻底阻隔的数字操控和反应信号
• 霍尔、差分霍尔、编码器和旋变器接口
• 2 个千兆以太网物理层，支撑 EtherCAT、ProfiNET、Ethernet/IP或 Powerlink 等高速工业通讯协议
• FMC 信号电压自习惯接口，支撑在一切 FMC 电压电平上无缝作业

阻隔是任何电机操控体系的一个要害方面，其意图是维护操控器和用户。操控板上模仿和数字信号的彻底阻隔，保证 FPGA 渠道永久不受电机驱动侧或许发生的风险电压影响。

驱动板包括驱动电机以及电流电压检测与维护电路所需的悉数电源电子。该板具有以下特性：

• 以最大 18 A 电流驱动 12 V 至 48 V 规模的 BLDC（无刷直流）/PMSM（永磁同步电机）/有刷直流/步进电机
• 动态制动功用和集成式过流与反向电压维护
• 运用阻隔式 ADC 丈量相电流；可编程增益扩大器使电流丈量输入规模到达最大
• 向操控板供给直流总线电压、相电流和总电流反应信号
• 集成 BEMF 过零检测，用于完结 PMSM 或 BLDC 电机的无传感器操控

测功器是一个动态可调的负载，可用于测验实时电机操控功用，由两台 BLDC 电机经过刚性衔接直接耦合而成。其间一台BLDC 电机用作负载，由测功器的嵌入式操控体系操控，而另一台由 ADI 公司的智能驱动器套件驱动，如图 5 所示。该体系配有一个用户界面，用于显现有关负载电流和速度的信息，并支撑设置不同的负载曲线。要完结外部操控，可运用 AnalogDiscovery USB 示波器捕捉负载信号；要从 MATLAB®直接操控，可运用 MathWorks Instrument Control Toolbox™。

电机电流和电压丈量的质量对电机操控体系的功用有很大影响。经过运用高功用模仿信号调度器材和 ADC，ADI 公司智能驱动器套件供给精细电流和电压丈量。丈量途径分为操控器和驱动板两部分，如图 6 所示。

相电流经过丈量分流电阻上的电压来检测。取决于 ADC 是否接近分流电阻，有两条或许的丈量途径能够获得最高丈量精度。假如 ADC 接近分流电阻，则信号途径十分短，不易遭到噪声耦合影响。分流电阻上的小差分电压由阻隔式Σ-Δ调制器AD7401直接丈量，而无需其他接口和信号调度电路。假如 ADC 远离分流电阻，则信号途径很长，简单遭到噪声耦合影响，尤其是电源开关噪声和电机的噪声耦合。有必要采纳特别办法保证 ADC 与分流电阻之间的 PCB 走线和信号调度电路遭到恰当的屏蔽。分流电阻上的小差分电压被驱动板上的差动扩大器AD8207 扩大，后者置于分流电阻邻近以防止噪声耦合。信号从±125 mV 满量程输入规模扩大至±2.5 V 规模，以最大程度地下降耦合噪声的影响。扩大后的信号又经过一个选用可编程增益外表扩大器(PGIA)AD8251的扩大级，以保证 ADC 一直接收到经过恰当缩放以习惯输入规模的输入信号。扩大后的模仿信号经过衔接器进入操控板。衔接器会屏蔽每个模仿信号，以下降噪声耦合影响。来自驱动板的模仿信号运用运算扩大器ADA4084-2从头转化到AD7401输入规模。

电流和电压反应信号链中的最重要器材是二阶阻隔式Σ-Δ调制器 AD7401A。这款高功用 ADC 具有 16 位分辨率（无失码）、13.3有用位数(ENOB)和 83 dB SNR。2线数字接口包括一个 20 MHz时钟输入和一个 1 位数字位流输出。ADC 输出运用 sinc3 数字滤波器重构。数据手册中供给了一个针对 16 位输出和 78 kHz 采样速率的滤波器模型和 HDL 完结计划。输出分辨率和采样速率可经过改动滤波器模型和抽取来操控。78 kHz 采样速率对许多运用或许是满意的，但某些状况需求更高的速率。这些状况下，可运用图 7 所示的滤波器库来将体系采样速率提至最高 10 MSPS（真 16 位数据）。滤波器库包括 n 个 sinc3滤波器，其采样时钟推迟 T（即 sinc3滤波器传达时刻除以 n）的倍数。数据挑选器以周期T输出 ADC 码。

相电流丈量也能够由 Zynq XADC 履行。XADC 信号丈量链运用惯例丈量链的完好途径，并在 AD7401 Σ-Δ调制器之后添加一个 Sallen-Key 模仿重构滤波器。该滤波器是在操控板上运用运算扩大器AD8646完结，如图 8 所示。阻隔式Σ-Δ调制器和模仿重构滤波器的组合为完结 XADC 输入信号的模仿阻隔供给了一种便当、低本钱的办法，一起不影响丈量质量。

ADI 公司智能驱动器套件带有一套 Simulink 操控器模型、完好的Xilinx Vivado 结构和 ADI Linux 基础设施，便于用户完结电机操控体系规划所需的悉数进程——从仿真开端，经过原型开发，终究在出产体系上完结。

能够运用两个操控器模型（一个六步操控器和一个 PMSM 磁场定向操控器）来发动规划进程。图 9 显现了这两个操控器的高档视图。六步操控器完结一个用于 BLDC 电机的梯形操控器；FOC操控器供给一个 FOC 内核以便集成到操控体系中。

工厂和操控器模型在仿真阶段创立，经过完好体系的行为仿真来验证操控器契合预期。操控器模型区分为由 C 代码和 HDL 完结的多个部分，并指定时序、定点完结、采样速率和环路时刻等束缚条件以保证操控器模型的行为与在硬件完结中一样。图 10 显现了六步操控器的软件和 HDL 区分。

一旦操控器在仿真中经过全面验证，下一步就是在硬件渠道上制造原型。针对 ARM 内核和可编程逻辑，Zynq SoC 引导作业流程从区分为多个子体系的 Simulink 模型发生 C 代码和 HDL。运用此作业流程，HDL 转码器生成针对可编程逻辑的 HDL，嵌入式转码器则生成针对 ARM 的 C 代码。MathWorks Zynq 支撑包支撑从模型生成由算法 C 代码组成的 ARM 可履行文件（与 AXI 总线接口），并支撑从模型生成由 HDL 代码组成的位流（与可编程逻辑引脚和 AXI 总线接口）。图 11 显现了操控器完结及其与ADI 智能驱动器硬件的联系。

一旦将位流和可履行文件加载到硬件中，就能够开端操控器的运转测验。运用 Simulink 与运转开源 Linux OS 的嵌入式体系之间的以太网链路履行硬件在环(HIL)测验。轴转速等电机参数能够在 Simulink 中捕捉，并与仿真成果相比较，保证实践体系完结与模型相符。一旦操控算法测验结束，便可将操控器转移到出产体系上。

除了智能驱动器套件以外，ADI 公司还供给完好的 Vivado 结构和 Linux 基础设施以用于原型开发和终究出产。图 12 显现了支撑智能驱动器套件的 Zynq 基础设施。该高档框图说明晰 ADI 参阅规划在 Xilinx Zynq SoC 上是怎么区分的。可编程逻辑完结 IP内核，用于与 ADC、方位传感器和电机驱动级接口。由 HDL 转码器生成的 HDL 代表电机操控算法，集成到 ADI 公司 IP 中。一切 IP 都有低速 AXI-Lite 接口用于装备和操控，并有高速 AXIStreaming接口用于经过 DMA 通道向软件传输实时数据。高速以太网接口能够运用 ARM 处理体系的硬 MAC 外设或可编程逻辑中的 Xilinx 以太网 IP 完结。

ARM Cortex A9 处理体系运转 ADI 公司供给的 Ubuntu Linux，其间包括：与 ADI 公司智能驱动器硬件接口所需的 Linux IIO 驱动，用于监测和操控的IIO Oscilloscope（示波器）用户空间运用程序，支撑实时数据收集和经过 TCP 操控体系的libiio服务器，在长途核算机上运转的客户端，以及整合嵌入式转码器所生成 C代码的可选用户运用程序。

一切 ADI Linux 驱动均依据 Linux 工业 I/O(IIO)子体系，其现已包括在一切干流 Linux 内核中。IIO Scope 是 ADI 公司开发的一款开源 Linux 运用程序，运转在 Xilinx Zynq 中的双核 ARMCortex A9 上，能够显现衔接到 Xilinx Zynq 渠道的 ADI FMC 卡所获取的实时数据。这些数据能够在时域中、频域中或以星座图的方式显现。支撑以不同的常用文件格局（如逗号分隔值或.matMatlab 文件等）保存所捕获的数据以供进一步剖析。IIO Scope供给一个图形用户界面，用于更改或读取 ADI FMC 卡的装备。

libiio 服务器支撑实时数据收集、经过 TCP 操控体系以及运转于长途核算机上的客户端。服务器运转于 Linux 下的嵌入式方针上，经过 TCP 办理方针与长途客户端之间的实时数据交换。IIO客户端能够作为体系目标集成到 MATLAB 和 Simulink 原生运用程序中。一路 HDMI 输出用于在监视器上显现 Linux 界面，鼠标和键盘可经过 USB 2.0 端口衔接到体系。

ADI 公司为智能驱动器套件供给的 Linux 软件和 HDL 基础设施，连同 MathWorks 和 Xilinx 供给的东西，十分适宜开发电机操控运用原型。它们还包括适用于出产的组件，可将其集成到终究操控体系中，然后削减从概念到出产所需的时刻和本钱。

定论

本文说明晰选用 FPGA 的现代电机操控体系的要求和趋势，以及为满意这些束缚条件和协助完结更高效、更准确的电机操控解决计划，MathWorks、Xilinx 和 ADI 公司带给商场的东西和体系。经过将 MathWorks 依据模型的规划和主动生成代码东西与强壮的Xilinx Zynq SoC、ADI 公司的阻隔、功率、信号调度和丈量解决计划相结合，电机驱动体系的规划、验证、测验和完结能够比曾经更有功率，然后进步电机操控功用并缩短上市时刻。ADI 公司智能驱动器套件与 Avnet Zynq-7000 All Programmable SoC 合作运用，为运用 MathWorks Simulink 规划的电机操控算法供给超卓的原型开发环境。该智能驱动器套件带有一组参阅规划 4，旨在为一切期望评价该体系的人士供给一个起点，而且协助发动任何新的电机操控项目。

参阅电路

1. Hill, Tom. “”凭借 Matlab 将电机驱动迁移到 Zynq SoC 规划中。.” Xcell 杂志，87 期，2014 年第二季度

2. O’Sullivan, Dara, Jens Sorensen, 和 Anders Frederiksen. “”闭环电机操控中依据模型的规划东西.” PCIM Europe, 2014.

3. Corradi, Dr. Giulio. “”频率空间矢量调制—榜首部分.” 网络， 2012 年 10 月 4 日。

4. AD-FMCMOTCON1-EBZ 用户攻略。