電機(jī)在各種工業(yè)、汽車和商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。電機(jī)由驅(qū)動(dòng)器控制，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)改變輸入功率來(lái)控制其轉(zhuǎn)矩、速度和位置。高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以提高效率，實(shí)現(xiàn)更快速、更精確的控制。高級(jí)電機(jī)控制系統(tǒng)集控制算法、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和用戶接口于一體，因此需要更多處理能力來(lái)實(shí)時(shí)執(zhí)行所有任務(wù)。現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)通常利用多芯片架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)：數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）執(zhí)行電機(jī)控制算法，FPGA 實(shí)現(xiàn)高速I/O 和網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)人員終于能夠?qū)㈦姍C(jī)控制功能和其他處理任務(wù)納入單個(gè)器件中。控制算法、網(wǎng)絡(luò)和其他處理密集型任務(wù)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。可編程邏輯可以包含多個(gè)并行工作的控制內(nèi)核，以實(shí)現(xiàn)多軸機(jī)器或多重控制系統(tǒng)。由于在單芯片上實(shí)現(xiàn)了完整的控制器，因此硬件設(shè)計(jì)可以更簡(jiǎn)單、更可靠、更便宜。

　　近年來(lái)，在MathWorks Simulink等軟件建模與仿真工具的推動(dòng)下，基于模型的設(shè)計(jì)已發(fā)展成為完整的設(shè)計(jì)流程——從模型創(chuàng)建到實(shí)現(xiàn)2。基于模型的設(shè)計(jì)改變了工程師和科學(xué)家的工作方式，把設(shè)計(jì)任務(wù)從實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移到桌面。現(xiàn)在，包括工廠和控制器在內(nèi)的整個(gè)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(chǎng)。這樣就能降低受損風(fēng)險(xiǎn)，加速系統(tǒng)集成，減少對(duì)設(shè)備供貨的依賴。一旦完成控制模型，Simulink環(huán)境便可將其自動(dòng)轉(zhuǎn)換為由控制系統(tǒng)運(yùn)行的C和HDL代碼，節(jié)省時(shí)間并避免人工編程錯(cuò)誤。將系統(tǒng)模型鏈接到快速原型開(kāi)發(fā)環(huán)境可進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)楹笳咴试S觀察控制器在實(shí)際條件下會(huì)如何運(yùn)作。

　　一個(gè)可實(shí)現(xiàn)更高電機(jī)控制性能的完整開(kāi)發(fā)環(huán)境利用Xilinx ZynqSoC實(shí)現(xiàn)控制器，MathWorks Simulink用于進(jìn)行基于模型的設(shè)計(jì)和自動(dòng)生成代碼，ADI公司的智能驅(qū)動(dòng)器套件用于快速開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原型。

Xilinx FPGA與SoC電機(jī)控制解決方案

　　高級(jí)電機(jī)控制系統(tǒng)必須全面執(zhí)行控制、通信和用戶接口任務(wù)，每種任務(wù)都有不同的處理帶寬要求和實(shí)時(shí)約束。為了實(shí)現(xiàn)這樣的控制系統(tǒng)，所選的硬件平臺(tái)必須魯棒且可擴(kuò)展，以便為將來(lái)的系統(tǒng)改進(jìn)和擴(kuò)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(shí)時(shí)性能、快速計(jì)算和靈活的連接。該SoC集成了兩個(gè)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(gè)雙核ARM Cortex-A9處理器、一個(gè)NEON協(xié)處理器和多個(gè)用于加速軟件執(zhí)行的浮點(diǎn)擴(kuò)展單元。處理系統(tǒng)處理管理控制、運(yùn)動(dòng)控制、系統(tǒng)管理、用戶接口和遠(yuǎn)程維護(hù)等任務(wù)，這些功能非常適合通過(guò)軟件實(shí)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(shí)操作系統(tǒng)。可以使用自給自足的處理器，而無(wú)需配置可編程邏輯。這樣，軟件開(kāi)發(fā)人員編寫代碼與硬件工程師設(shè)計(jì)FPGA結(jié)構(gòu)可以同時(shí)進(jìn)行。

　　在可編程邏輯方面，該器件擁有多達(dá)444，000個(gè)邏輯單元和2200個(gè)DSP Slice，可提供巨大的處理帶寬。FPGA結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展，因而用戶的選擇范圍很廣——從包含28，000個(gè)邏輯單元的小型器件到支持最具挑戰(zhàn)性的信號(hào)處理應(yīng)用的高端器件。5個(gè)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(dāng)于3000以上引腳的有效帶寬。可編程邏輯適合執(zhí)行時(shí)間關(guān)鍵的處理密集型任務(wù)，如實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議等，而且它支持多個(gè)控制內(nèi)核并行工作，以實(shí)現(xiàn)多軸機(jī)器或多重控制系統(tǒng)。

　　基于Xilinx All Programmable SoC的解決方案和平臺(tái)滿足當(dāng)今復(fù)雜控制算法（如磁場(chǎng)定向控制FOC）和復(fù)雜調(diào)制方案（如Xilinx和Qdesys設(shè)計(jì)的再生脈沖頻率調(diào)制器3）所提出的關(guān)鍵時(shí)序和性能要求。

　　利用MathWorks Simulink實(shí)現(xiàn)基于模型的設(shè)計(jì)

　　Simulink是一種支持多域仿真和基于模型設(shè)計(jì)的框圖環(huán)境，非常適合對(duì)包括控制算法和工廠模型的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。為了實(shí)現(xiàn)精確定位等目的，電機(jī)控制算法會(huì)調(diào)節(jié)速度、轉(zhuǎn)矩和其他參數(shù)。利用仿真評(píng)估控制算法可以有效地確定電機(jī)控制設(shè)計(jì)是否合適，判斷其合適后再進(jìn)行昂貴的硬件測(cè)試，從而減少算法開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本。圖2給出了設(shè)計(jì)電機(jī)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(jī)、驅(qū)動(dòng)電子、傳感器和負(fù)載的資源庫(kù)

　　對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行仿真以驗(yàn)證控制器的表現(xiàn)是否符合預(yù)期

　　產(chǎn)生C代碼和HDL進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試和實(shí)施

　　利用原型硬件測(cè)試控制算法

　　在原型硬件上進(jìn)行仿真和測(cè)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(jī)控制算法設(shè)計(jì)的工作流程

　　MathWorks 產(chǎn)品包括Control System Toolbox?、SimPowerSystems?和Simscape?，提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)算法和應(yīng)用程序以對(duì)線性控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)化分析、設(shè)計(jì)和調(diào)諧，此外還有元件庫(kù)和分析工具，用于對(duì)機(jī)械、電氣、液壓和其他物理領(lǐng)域的各種系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)而驗(yàn)證控制系統(tǒng)的行為和性能，成功之后方移交實(shí)際實(shí)施。該仿真環(huán)境是驗(yàn)證極端功能情形和工作狀況的理想場(chǎng)所，確保控制器已為這些狀況做好準(zhǔn)備，并且其實(shí)際操作對(duì)設(shè)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(yàn)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(jìn)行測(cè)試，然后部署到最終生產(chǎn)系統(tǒng)上。此時(shí)要指定定點(diǎn)和時(shí)序行為等軟硬件實(shí)施要求。自動(dòng)生成代碼有助于縮短從概念到實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的時(shí)間，消除編程錯(cuò)誤，確保實(shí)際結(jié)果與模型相符。圖3給出了在Simulink中進(jìn)行電機(jī)控制器建模并將其轉(zhuǎn)移到最終生產(chǎn)系統(tǒng)所需的實(shí)際步驟。

　　圖3.從仿真到生產(chǎn)的過(guò)程

　　第一步是在Simulink中對(duì)控制器和工廠進(jìn)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(shí)現(xiàn)的模塊和在可編程邏輯中實(shí)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(yàn)證控制算法的性能，并且?guī)椭M(jìn)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(dòng)生成的C代碼和HDL 集成到復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)框架中。此工作流程確保控制算法在達(dá)到生產(chǎn)階段之前經(jīng)過(guò)全面驗(yàn)證和測(cè)試，使得系統(tǒng)魯棒性具有高可信度。