工業(yè)設(shè)計(jì)人員可以利用快速原型與基于模型的設(shè)計(jì)將電機(jī)控制算法移至ZynqSoC環(huán)境。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)人員一直采用多芯片架構(gòu)實(shí)施電機(jī)控制與處理需求。

在這種架構(gòu)中，離散數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片負(fù)責(zé)執(zhí)行電機(jī)控制算法，F(xiàn)PGA實(shí)施高速I/O與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，離散型處理器負(fù)責(zé)處理執(zhí)行控制。然而，隨著賽靈思?Zynq?-7000AllProgrammableSoC的問(wèn)世，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)找到了能將這些功能組合到單個(gè)器件的方法，而且還可以集成其它處理任務(wù)。減少部件數(shù)量與復(fù)雜性不僅可以降低系統(tǒng)成本，而且還能提升系統(tǒng)性能與可靠性。

但是，驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)人員如何才能夠改變自己長(zhǎng)期形成的設(shè)計(jì)實(shí)踐，轉(zhuǎn)而采用ZynqSoC呢？

長(zhǎng)期以來(lái)，工業(yè)設(shè)計(jì)人員一直采用基于模型的設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真和C代碼生成，在DSP芯片上研發(fā)定制電機(jī)算法。

如今，賽靈思與MathWorks合作開(kāi)發(fā)了一種全新工作流程——將基于模型的設(shè)計(jì)擴(kuò)展至可用Zynq-7000AllProgrammableSoC的處理系統(tǒng)和可編程邏輯。

針對(duì)電機(jī)控制的ZYNQSOC

如今，先進(jìn)的電機(jī)控制系統(tǒng)都屬于控制算法與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的組合，包括EtherCAT、Profinet、Powerlink以及SercosIII，其能夠從計(jì)算資源中提取處理帶寬。此外，控制系統(tǒng)現(xiàn)在還聚合了其它需求，其中包括運(yùn)動(dòng)控制層、PLC層、診斷層以及用戶界面，以便進(jìn)行調(diào)試和保養(yǎng)，或遠(yuǎn)程監(jiān)控。采用與處理系統(tǒng)自然貼合的元件，這些需求能轉(zhuǎn)化為邏輯分組和實(shí)體分組，而其它元件則最好適合于硬件輔助減負(fù)與加速。

您所選擇的硬件平臺(tái)應(yīng)該提供穩(wěn)健的可擴(kuò)展型系統(tǒng)。賽靈思ZynqSoCs就能滿足上述需求，其配有高性能處理系統(tǒng)，以支持聯(lián)網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)、soft-PLC、診斷以及遠(yuǎn)程維護(hù)功能，并與可編程邏輯相結(jié)合，從而加速硬件中性能臨界的功能。對(duì)于處理方面，ZynqSoC與帶有NEON控制處理器、浮點(diǎn)擴(kuò)展的ARM?Cortex?-A9雙核處理系統(tǒng)相結(jié)合，可加速軟件執(zhí)行速度。對(duì)于可編程邏輯，該器件配有444000個(gè)邏輯單元和2200個(gè)DSP48Slice，能提供大量的處理帶寬。利用五個(gè)高吞吐量AMBA?-4AXI高速互連，可編程邏輯與處理系統(tǒng)緊密耦合，相當(dāng)于3000多個(gè)PIN的有效帶寬。

表1列出了ZynqSoC器件所能實(shí)現(xiàn)的處理性能。

采用Simulink與控制系統(tǒng)工具箱（CONTROLSYSTEMSTOOLBOX）的設(shè)備與電機(jī)模型

現(xiàn)代控制算法的系統(tǒng)時(shí)間與系統(tǒng)變量可跨越多個(gè)數(shù)量級(jí)，從而導(dǎo)致硬件/軟件分組成為一項(xiàng)艱巨、耗時(shí)、重復(fù)的任務(wù)。圖2給出了一個(gè)典型的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。其電源頻率通常為50Hz-60Hz，經(jīng)過(guò)整流后，形成連續(xù)電壓（直流）。然后，該連續(xù)電壓轉(zhuǎn)換成變頻電壓，可控制饋送電機(jī)終端的電功率級(jí)。此外，控制器還必須讀取電機(jī)基本變量，其中包括電流和電壓?？刂破魍瑯右脖仨氉x取或確定軸的位置，包括軸的轉(zhuǎn)速和通信網(wǎng)絡(luò)或監(jiān)視控制器的處理命令。

Simulink?可提供用于多域系統(tǒng)仿真和基于模型設(shè)計(jì)的方框圖環(huán)境，其完全適用于含有控制算法和設(shè)備模型的仿真系統(tǒng)?；趶V泛用于Simulink中對(duì)控制系統(tǒng)建模進(jìn)行系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與調(diào)節(jié)的方法，MathWorks的控制系統(tǒng)工具箱等產(chǎn)品可提供各種各樣的“應(yīng)用”。利用Simulink執(zhí)行系統(tǒng)建模，可以加快電機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)速度，而且還可以從以下幾個(gè)方面降低風(fēng)險(xiǎn)：

?降低受損風(fēng)險(xiǎn)——在全新控制系統(tǒng)算法用于量產(chǎn)硬件測(cè)試之前，仿真法可對(duì)此算法進(jìn)行全面檢驗(yàn)，這樣就可以規(guī)避硬件測(cè)試存在損害驅(qū)動(dòng)電子系統(tǒng)、電機(jī)以及系統(tǒng)其它組件的風(fēng)險(xiǎn)。

?加快系統(tǒng)集成速度——支持員工需要將控制系統(tǒng)新算法集成至產(chǎn)品系統(tǒng)，這意味著部署新的控制器會(huì)消耗有限的時(shí)間，而且可能令部署過(guò)程變得冗長(zhǎng)。

?減少對(duì)設(shè)備可用性的依賴——在有些情況下，生產(chǎn)環(huán)境本身并不可用，例如定制驅(qū)動(dòng)電子系統(tǒng)或電機(jī)尚在開(kāi)發(fā)當(dāng)中或者其所處位置使得控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員無(wú)法對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)。

鑒于上述因素，仿真即是利用生產(chǎn)硬件進(jìn)行測(cè)試的最佳替代方案。Simulink等仿真環(huán)境可以提供框架，以便利用機(jī)電組件既存構(gòu)建模塊庫(kù)創(chuàng)建裝置模型，進(jìn)而利用該裝置模型對(duì)新的控制系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。

將系統(tǒng)模型與快速原型環(huán)境以及最終生產(chǎn)系統(tǒng)相連接，從而進(jìn)一步降低計(jì)劃的風(fēng)險(xiǎn)。快速原型工作流程允許算法開(kāi)發(fā)人員可以在不依賴硬件設(shè)計(jì)人員的情況下進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。算法研開(kāi)人員可在高度自動(dòng)化過(guò)程中采用特定平臺(tái)支持包，進(jìn)而將系統(tǒng)硬件和軟件組件部署到可以編譯為特定硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)模板。硬件與軟件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以將這些相同的硬件和軟件組價(jià)重新應(yīng)用于最終生產(chǎn)系統(tǒng)之中，無(wú)需做出任何修改即可加速研發(fā)過(guò)程、減少失誤。

采用Avnet智能驅(qū)動(dòng)套件實(shí)現(xiàn)快速原型

設(shè)計(jì)人員可以將vnetZynq-7000APSoC/模擬器件智能驅(qū)動(dòng)套件與Simulink以及ZynqSoC工作流程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用的整套快速原型系統(tǒng)。該套件整合了ZynqSoC與最新一代模擬器件高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字隔離技術(shù)。該套件可支持高性能電機(jī)控制與雙端口千兆位以太網(wǎng)工業(yè)聯(lián)網(wǎng)（boards-and-kits/1-490M1P.htm)。

該套件配有AvnetZedBoard7020基板、模擬器件AD-FMCMOTCON1-EBZ模塊、額定轉(zhuǎn)速為4000RPM的24VBLDC電機(jī)，同時(shí)還配有霍爾效應(yīng)傳感器和1250-CPR索引編碼器，其中AD-FMCMOTCON1-EBZ模塊可以驅(qū)動(dòng)帶有24V外部電源（該套件本身帶有）的無(wú)刷直流步進(jìn)式電機(jī)。此外，該套件還含有ZynqSoC磁場(chǎng)導(dǎo)向控制參考設(shè)計(jì)以及包括驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件與源代碼的模擬器件UbuntuLinux框架。

實(shí)例：電機(jī)梯形控制

現(xiàn)在讓我們通過(guò)Simulink仿真將上述工作流程應(yīng)用于圖1中的電機(jī)梯形控制系統(tǒng)，通過(guò)仿真裝置評(píng)估控制器，然后采用智能驅(qū)動(dòng)套件對(duì)該控制器進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。最后，我們利用硬件測(cè)試的結(jié)果來(lái)對(duì)Simulink模型進(jìn)行驗(yàn)證。

在該實(shí)例中，我們將使用智能驅(qū)動(dòng)套件來(lái)驅(qū)動(dòng)以鋁盤形式存在的慣性載荷以及基礎(chǔ)梯形控制器。該控制器的主要組件如下：

霍爾效應(yīng)傳感器——檢測(cè)電機(jī)位置

速度估計(jì)器——根據(jù)傳感器信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

六步換向器——根據(jù)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速計(jì)算相位電壓與變頻器使能信號(hào)。

脈寬調(diào)制（PWM）——通過(guò)驅(qū)動(dòng)回路驅(qū)動(dòng)控制器輸出。

我們首先采用適用于控制環(huán)路分析的系統(tǒng)行為、控制環(huán)路模型。首先，我們利用仿真對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估，模型接受脈沖測(cè)試，指令模型按照150轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，持續(xù)2秒，然后停止。通過(guò)調(diào)節(jié)控制回路的比例積分（PI）控制器增益，我們可以獲得1.2秒穩(wěn)定時(shí)間，并且過(guò)沖可以忽略不計(jì)（圖3中紫色陰影標(biāo)志即為控制環(huán)路仿真結(jié)果；有關(guān)本實(shí)例的詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)mathworks.com/zidk)。

設(shè)置好控制環(huán)路增益之后，我們現(xiàn)在可將控制器置于更加精準(zhǔn)的系統(tǒng)模型上進(jìn)行測(cè)試。與控制環(huán)路模型相比，系統(tǒng)模型內(nèi)含更加細(xì)化的驅(qū)動(dòng)電子系統(tǒng)模型，更為重要的是，系統(tǒng)模型所包含的細(xì)化模型可以指定控制器與外設(shè)實(shí)施，其中包括PWM與霍爾效應(yīng)傳感器處理過(guò)程中所使用的準(zhǔn)確時(shí)序模型。

我們已針對(duì)ZynqSoC規(guī)劃出了控制器，速度控制器與速度估計(jì)器在ARM核上運(yùn)行，頻率為1kHz，換向器、霍爾傳感器以及PWM均在ZynqSoC可編程邏輯上運(yùn)行。

我們可以對(duì)比控制環(huán)路和系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果（圖3中紅色標(biāo)志即為系統(tǒng)模型結(jié)果）。一般來(lái)說(shuō)，兩個(gè)波形的相似度非常高，但電機(jī)速率除外，它趨向于零。在這些點(diǎn)上，霍爾傳感器粗糙度非常明顯，而且電機(jī)軸每次轉(zhuǎn)動(dòng)只有六個(gè)標(biāo)志脈沖。這種高保真系統(tǒng)模型7分鐘內(nèi)即可運(yùn)行一次為時(shí)4秒的仿真，而對(duì)于保真較低的控制環(huán)路模型而言，只能運(yùn)行一次為時(shí)7秒的仿真。對(duì)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，其意義在于上述仿真結(jié)果可以讓我們更加堅(jiān)信，控制環(huán)路模型對(duì)于進(jìn)一步評(píng)估控制器替代方案來(lái)說(shuō)足夠準(zhǔn)確，無(wú)需使用系統(tǒng)模型進(jìn)行硬件測(cè)試，即可驗(yàn)證替代方案。

有了這些發(fā)現(xiàn)，我們即可利用智能驅(qū)動(dòng)套件設(shè)計(jì)出控制器的原型。通過(guò)ZynqSoC推薦的工作流程，我們可以利用Simulink模型生成C代碼與HDL代碼，Simulink模型已被分割成數(shù)個(gè)特定于ARM核以及可編程邏輯的子系統(tǒng)（圖4）。

我們按照上述工作流程，使用MathWorks的HDL代碼生成器生成IP核，此IP核將在ZynqSoC器件的可編程邏輯中運(yùn)行，以便建立在ARM核上運(yùn)行的可執(zhí)行程序，并且在ARM核與可執(zhí)行程序之間建立AXI總線接口。

將bit文件加載載入可編程邏輯以及在ARM核上運(yùn)行可執(zhí)行程序之后，我們即可進(jìn)行環(huán)路中的硬件測(cè)試。對(duì)于此測(cè)試，我們采用經(jīng)過(guò)改良的Simulink測(cè)試平臺(tái)模型，我們已經(jīng)拆除該模型中的驅(qū)動(dòng)電子系統(tǒng)、電機(jī)以及傳感器模型，因?yàn)槲覀儾捎昧谁h(huán)路中的硬件取代被仿真的裝置模型。為了方便我們檢查測(cè)試結(jié)果，同時(shí)方便與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，我們可將ZynqSoC設(shè)置成將電機(jī)軸速度測(cè)量以及其它數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于ARM核內(nèi)存之中（圖3中黑色陰影標(biāo)志即為硬件測(cè)試結(jié)果）。這樣，我們即可將結(jié)果上傳至MATLABsession，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)將脈沖輸入應(yīng)用于測(cè)試平臺(tái)，即可處理和查看結(jié)果。如此一來(lái)，我們即可在硬件中準(zhǔn)確重復(fù)我們采用仿真進(jìn)行的測(cè)試。原型設(shè)計(jì)的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果非常接近，其中包括因霍爾傳感器導(dǎo)致電機(jī)速度實(shí)測(cè)值發(fā)生中斷。

本簡(jiǎn)述證明了MathWorks的ZynqSoC工作流程可應(yīng)用于基于模型的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)仿真和原型設(shè)計(jì)。如果想繼續(xù)深入生產(chǎn)，您可以將所生成的C代碼和HDL代碼導(dǎo)入Vivado?設(shè)計(jì)套件，在該套件中您可將這些代碼與執(zhí)行程序、聯(lián)網(wǎng)IP以及完整執(zhí)行系統(tǒng)所必需的其它設(shè)計(jì)組件進(jìn)行整合。

如需下載本文所述模型以及了解更多有關(guān)如何利用Zynq-7000AllProgrammableSoC/Avnet模擬器件智能驅(qū)動(dòng)套件完成基于模型的設(shè)計(jì)，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：mathworks.com/zidk。您還可以從本頁(yè)瀏覽在ZynqSoC器件上執(zhí)行完整磁場(chǎng)導(dǎo)向控制模型的Simulink模型，也可以觀看上述實(shí)例的視頻，了解更多詳情。