基于FPGA的系统促进提高电机控制性能

算法

　　在原型硬件上进行仿真和测试后，如果控制系统证明令人满意，则将控制器部署到最终生产系统上

　　图2.电机控制算法设计的工作流程

　　MathWorks 产品包括Control System Toolbox™、SimPowerSystems™和Simscape™，提供工业标准算法和应用程序以对线性控制系统进行系统化分析、设计和调谐，此外还有元件库和分析工具，用于对机械、电气、液压和其他物理领域的各种系统进行建模和仿真。利用这些工具可以创建高保真的工厂和控制器模型，进而验证控制系统的行为和性能，成功之后方移交实际实施。该仿真环境是验证极端功能情形和工作状况的理想场所，确保控制器已为这些状况做好准备，并且其实际操作对设备和工作人员都将是安全的。

　　一旦控制系统在仿真环境中完成了全面验证，就可以利用嵌入式转码器和HDL转码工具将其转换为C代码和HDL，并部署到原型硬件上进行测试，然后部署到最终生产系统上。此时要指定定点和时序行为等软硬件实施要求。自动生成代码有助于缩短从概念到实际系统实现所需的时间，消除编程错误，确保实际结果与模型相符。图3给出了在Simulink中进行电机控制器建模并将其转移到最终生产系统所需的实际步骤。

　　图3.从仿真到生产的过程

　　第一步是在Simulink中对控制器和工厂进行建模和仿真。在这一阶段，控制器算法被划分为在软件中实现的模块和在可编程逻辑中实现的模块。划分和仿真完成后，利用嵌入式转码器和HDL转码器将控制器模型转换为C 代码和HDL。基于Zynq的原型系统验证控制算法的性能，并且帮助进一步调谐控制器模型，然后转移到生产阶段。在生产阶段，将自动生成的C代码和HDL 集成到复杂的生产系统框架中。此工作流程确保控制算法在达到生产阶段之前经过全面验证和测试，使得系统鲁棒性具有高可信度。

　　利用ADI公司智能驱动器套件快速完成原型开发

　　选择合适的原型开发硬件是设计过程的一个主要步骤。ADI公司的智能驱动器套件支持快速、高效的原型开发。Avnet Zynq-7000All 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换器和数字隔离相结合，可实现高性能电机控制和双通道千兆以太网工业网络连接。该套件带有Avnet ZedBoard 7020基板和ADI公司的AD-FMCMOTCON1-EBZ模块，构成一个完整的驱动系统，能够高效控制多种类型的电机。另外，该套件可以利用ADI 公司的AD-DYNO1-EBZ测功器驱动系统进行扩展，后者是一个动态可调的负载，可用来测试实时电机控制性能。AD-FMCMOTCON1-EBZ模块由控制器和驱动板组成，如图4所示。

　　图4.AD-FMCMOTCON1-EBZ功能框图

　　控制板是一个混合信号FPGA夹层卡 （FMC），可利用低引脚数（LPC）或高引脚数 （HPC） FMC连接器连接到任何Xilinx FPGA或SoC平台。它具有以下特性：

　　利用隔离式ADC测量电流和电压

　　隔离式Xilinx XADC接口

　　完全隔离的数字控制和反馈信号

　　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，支持EtherCAT、ProfiNET、Ethernet/IP或Powerlink等高速工业通信协议

　　FMC信号电压自适应接口，支持在所有FMC电压电平上无缝工作

　　隔离是任何电机控制系统的一个关键方面，其目的是保护控制器和用户。控制板上模拟和数字信号的完全隔离，确保FPGA 平台永远不受电机驱动侧可能产生的危险电压影响。

　　驱动板包含驱动电机以及电流电压检测与保护电路所需的全部电源电子。该板具有以下特性：

　　以最大18 A电流驱动12 V至48 V范围的BLDC（无刷直流）/PMSM（永磁同步电机）/有刷直流/步进电机

　　动态制动功能和集成式过流与反向电压保护

　　利用隔离式ADC测量相电流；可编程增益放大器使电流测量输入范围达到最大

　　向控制板提供直流总线电压、相电流和总电流反馈信号

　　集成BEMF 过零检测，用于实现PMSM或BLDC电机的无传感器控制

　　测功器是一个动态可调的负载，可用于测试实时电机控制性能，由两台BLDC电机通过刚性连接直接耦合而成。其中一台BLDC电机用作负载，由测功器的嵌入式控制系统控制，而另一台由ADI 公司的智能驱动器套件驱动，如图5 所示。该系统配有一个用户界面，用于显示有关负载电流和速度的信息，并支持设置不同的负载曲线。要实现外部控制，可利用Analog Discovery USB示波器捕捉负载信号；要从MATLAB®直接控制，可使用MathWorks Instrument Control Toolbox™。

　　图5. 测功器驱动系统

电机电流和电压测量的质量对