三相電機(jī)控制 - 基于模型的Zynq SoC軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)工作流程及其案例研究

另一個(gè)促進(jìn)因素是多軸向控制。可編程 SoC 上豐富的可編程邏輯和 DSP 資源為在單個(gè)可編程 SoC 上實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)控制器開(kāi)辟了無(wú)限可能。不論電機(jī)是單獨(dú)運(yùn)行還是組合運(yùn)行，都可受控于集成動(dòng)作控制系統(tǒng)之下。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò) IP 集成是又一大因素。賽靈思及其 IP 合作伙伴提供的 IP 用于與 EtherCAT、PROFINET 和其他能方便地集成到可編程 SoC 中的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議集成。

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占全球耗電量的 46%，用新穎的控制算法取得更高效率是電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)追求的永無(wú)止境的共同目標(biāo)。

為說(shuō)明這一工作流程在通用電機(jī)控制案例上的運(yùn)用,將以實(shí)現(xiàn)在 Zynq-7020 SoC 上的三相電機(jī)磁場(chǎng)定向控制算法為例(有關(guān)該硬件原型設(shè)計(jì)平臺(tái)的詳情，該電機(jī)控制系統(tǒng)模型包含兩個(gè)主要的子系統(tǒng)（圖 2）：一個(gè)是針對(duì)已經(jīng)在 Zynq 處理系統(tǒng)和可編程邏輯間完成分區(qū)的 Zynq SoC 的電機(jī)控制器；另一個(gè)是連接到配有測(cè)量軸角度的編碼器的無(wú)刷直流電機(jī)的電機(jī)控制 FPGA 夾層卡 (FMC)。

可以從數(shù)據(jù)流的角度觀察軟硬件分區(qū)：

? 速度控制 (Velocity Control) 模塊和模式選擇 (Mode Select) 模塊被分配給 ARM Cortex-A9 處理系統(tǒng)，因?yàn)檫@兩個(gè)模塊與模型的其余部分相比運(yùn)行在較低速度下，也因?yàn)樗鼈兪窃O(shè)計(jì)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中最有可能修改和重新編譯的部分。

? 運(yùn)行在 ARM 內(nèi)核上的模式選擇 (Mode Select) 狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)判斷電機(jī)控制器的運(yùn)行模式（開(kāi)環(huán)運(yùn)行還是閉環(huán)調(diào)節(jié)）。該狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)管理在切換到閉環(huán)控制模式之前的啟動(dòng)、開(kāi)環(huán)控制和編碼器校準(zhǔn)模式之間的切換工作。

? 編碼器傳感器信號(hào)通過(guò)外部端口傳遞給可編程邏輯中的編碼器外設(shè) (Encoder Peripheral)，然后傳遞給位置/速度估算 (Position/Velocity Estimate) 模塊，計(jì)算電機(jī)的狀態(tài)（軸位置和速度）。

? 一個(gè)ΣΔADC 感知電機(jī)電流，隨即由手動(dòng)編碼 ADC 外設(shè)模塊處理該電流。

? 電流控制器負(fù)責(zé)獲取電機(jī)狀態(tài)與電流、工作狀態(tài)以及 ARM 內(nèi)核通過(guò) AXI4 接口傳遞的速度控制命令，據(jù)此計(jì)算電流控制器命令。在處于閉環(huán)模式下時(shí)，電流控制器使用比例積分 (PI) 控制原理，其增益可使用仿真和原型設(shè)計(jì)加以微調(diào)。

? 電流控制器命令穿越電壓轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò) PWM 外設(shè)輸出給電機(jī)控制 FMC，最終用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

設(shè)計(jì)人員能在 Simulink 中為完整系統(tǒng)建立模型（圖 3）。

在基于模型的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的頂層 Simulink 模型的組件數(shù)量增加到四個(gè)：

? 輸入模型：負(fù)責(zé)向控制器提供受控軸速度和開(kāi)/關(guān)命令，用作激勵(lì)信號(hào)；
? 電機(jī)控制算法模型：主要用于 Zynq SoC；
? 設(shè)備模型：包括 FMC 驅(qū)動(dòng)電子電路、無(wú)刷直流電機(jī)的永磁同步電機(jī) (PMSM) 模型、電機(jī)軸上的慣性負(fù)載模型和編碼器傳感器模型；以及
? 輸出驗(yàn)證模型：包含后處理和圖形功能，有助于算法開(kāi)發(fā)人員優(yōu)化和驗(yàn)證模型。

在 Simulink 中可以在遠(yuǎn)早于開(kāi)始硬件測(cè)試的時(shí)候就借助仿真徹底檢驗(yàn)該算法。可以細(xì)調(diào) PI 控制器的增益，嘗試多種激勵(lì)配置，檢驗(yàn)不同處理速度的結(jié)果。在使用仿真的時(shí)候需要面對(duì)一個(gè)根本性問(wèn)題：由于電機(jī)控制中一般存在著好幾種千差萬(wàn)別的速度，即 1-10Hz 的總體機(jī)械響應(yīng)速度、1-25 KHz 的內(nèi)核控制器算法速度、10-50 MHz 的可編程邏輯運(yùn)行速度，仿真運(yùn)行時(shí)間從數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)不等。我們可以借助一種對(duì)外設(shè)（PWM、電流感應(yīng)和編碼器處理）使用行為模型的控制環(huán)路模型解決這一問(wèn)題，生成如圖 3 所示的時(shí)間響應(yīng)。

仿真與硬件環(huán)境之間的持續(xù)驗(yàn)證讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)流程中盡早發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。

在使用控制環(huán)路模型微調(diào)控制器之后，下一步是使用包含外設(shè)的高保真度模型在仿真中證明控制器的合格性。方法是加入用于控制器的 C 和 HDL 組件的時(shí)序精度規(guī)格模型。這些規(guī)格模型擁有生成 C 和 HDL 代碼所需的語(yǔ)義。通過(guò)仿真隨后驗(yàn)證配備規(guī)格模型的系統(tǒng)能極為精確地追蹤控制環(huán)路模型。