后電氣化時(shí)代，你的馬達(dá)夠“強(qiáng)勁”嗎？

- 導(dǎo)讀 -

手指在屏幕上輕輕一點(diǎn)，無(wú)人機(jī)穿越山谷拍攝美景。坐在車(chē)?yán)锖戎Х?，電?chē)自動(dòng)駕駛到達(dá)終點(diǎn)。大型馬達(dá)遠(yuǎn)離了城市的喧囂，智能馬達(dá)與日常生活密切相聯(lián)。一切動(dòng)起來(lái)的機(jī)器，都需要馬達(dá)提供動(dòng)力。馬達(dá)是機(jī)器的心臟，驅(qū)動(dòng)是系統(tǒng)的神經(jīng)。如何在短時(shí)間設(shè)計(jì)出完美的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，是電子工程師撬動(dòng)創(chuàng)新產(chǎn)品的支點(diǎn)。

為了幫助工程師加快創(chuàng)新腳步，AMD-XILINX推出了馬達(dá)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)套件EDDP，該套件為三相馬達(dá)驅(qū)動(dòng)提供了完整的開(kāi)發(fā)和評(píng)估環(huán)境，包括全套硬件、硬件邏輯參考工程、OS驅(qū)動(dòng)、OS鏡像和網(wǎng)絡(luò)UI。與其他設(shè)計(jì)方式相比，這個(gè)完整的開(kāi)發(fā)套件提供了核心控制單元FOC（Field Oriented Control）的C++源代碼及理論模型，可幫助電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)生產(chǎn)線、機(jī)器人、機(jī)械臂、無(wú)人機(jī)、云臺(tái)等各種應(yīng)用以及與FOC原理相通的領(lǐng)域開(kāi)發(fā)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。

EDDP全套硬件方面

EDDP全套硬件包括控制板Arty Z7-10、適配板TEC0053、連接板TEC0060以及馬達(dá)BLRW-111D-24V-10000-1000-SI。其中，控制板的核心是Zynq-7000，Zynq-7000是AMD-XILINX的28nm自適應(yīng)SoC，集成了ARM處理器的軟件可編程性與FPGA的硬件可編程性，可實(shí)現(xiàn)軟件計(jì)算和硬件加速。在單個(gè)器件上實(shí)現(xiàn)了CPU、DSP、FPGA以及混合信號(hào)功能?？刂瓢逋ㄟ^(guò)以太網(wǎng)與PC相連，用戶(hù)可在PC端通過(guò)UI向控制板發(fā)送控制指令，并實(shí)時(shí)顯示馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、相位、電流等。

EDDP全套軟件方面

軟件方面，AMD-XILINX為工程師提供了HLS工具。HLS（high level synthesis）是一種高級(jí)邏輯綜合工具，它提供了一種高層次的開(kāi)發(fā)方法，可以把C、C++、System C代碼轉(zhuǎn)換成HDL代碼。傳統(tǒng)的RTL設(shè)計(jì)，需要在實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)上花費(fèi)大量的時(shí)間，而對(duì)高層的算法設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證往往不夠充分。HLS工具則允許設(shè)計(jì)者將精力集中在算法和驗(yàn)證上，RTL代碼則由工具自動(dòng)生成。即使不熟悉硬件描述語(yǔ)言的工程師也能快速上手開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

借助此完整套件可充分發(fā)揮Zynq SoC軟硬結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，評(píng)估和開(kāi)發(fā)高性能馬達(dá)控制應(yīng)用。工程師可以在C++代碼基礎(chǔ)上完善自己的設(shè)計(jì)，仿真驗(yàn)證自己的設(shè)想，并采用HLS（high level synthesis）將C++代碼輸出為硬件高效的RTL（VHDL，Verilog）IP，從而有效提高開(kāi)發(fā)驗(yàn)證效率和硬件資源利用效率。

馬達(dá)設(shè)計(jì)參考的算法結(jié)構(gòu)

上面的圖片展示了馬達(dá)設(shè)計(jì)參考的算法結(jié)構(gòu)，工程師使用HLS實(shí)現(xiàn)了FOC算法，包括了Clark變換模塊、Park變換模塊、PI控制器模塊等。每一個(gè)模塊都由C++描述。

下面以PI控制和Park變換為例

PI控制器：它在此設(shè)計(jì)中起到濾波器的作用，可以濾除高頻噪聲，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。

使用HLS實(shí)現(xiàn)PI的細(xì)節(jié)如圖：

使用HLS實(shí)現(xiàn)PI控制的結(jié)果如下：

Park變換：同步馬達(dá)定子的a、b、c三相電流投影到隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的直軸（d軸），交軸（q軸）與垂直于dq平面的零軸（0軸）。從數(shù)學(xué)角度，Park變換實(shí)現(xiàn)了一種坐標(biāo)變換。

使用HLS實(shí)現(xiàn)Park變換的細(xì)節(jié)：

使用HLS實(shí)現(xiàn)Park變換的結(jié)果如下：

HLS數(shù)學(xué)庫(kù)提供了豐富的數(shù)學(xué)函數(shù)，支持的數(shù)據(jù)類(lèi)型包括自定義定點(diǎn)、半精度浮點(diǎn)、單精度浮點(diǎn)和雙精度浮點(diǎn)，函數(shù)類(lèi)型包括三角函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等，可以為工業(yè)設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的支持。在具體操作時(shí)，用戶(hù)可以下載具體的工程文件、源代碼和技術(shù)文檔，根據(jù)需要自由地修改代碼，快速完成定制化設(shè)計(jì)。