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基于FPGA的電機(jī)智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要： 智能驅(qū)動(dòng)器以及許多汽車(chē)和ISM廠商正面臨著滿足新的市場(chǎng)需求和不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)要求所帶來(lái)的重重挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中，電機(jī)必須具有高效、低噪聲、速度范圍寬、可靠性高、成本合理等特性。

關(guān)鍵詞： FPGA 電機(jī) 智能驅(qū)動(dòng) 嵌入式 IEC 68000-7 MicroBlaze

Abstract：

Key words :

　　智能驅(qū)動(dòng)器以及許多汽車(chē)和 ISM 廠商正面臨著滿足新的市場(chǎng)需求和不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)要求所帶來(lái)的重重挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中，電機(jī)必須具有高效、低噪聲、速度范圍寬、可靠性高、成本合理等特性。在當(dāng)今工廠里，電機(jī)驅(qū)動(dòng)型設(shè)備占總耗電量的三分之二，因此開(kāi)發(fā)能效更高的系統(tǒng)勢(shì)在必行。由于在許多情況下驅(qū)動(dòng)器只是大規(guī)模工藝的一個(gè)組件，因此互操作性也是一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要求。而影響這種要求的關(guān)鍵因素是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的寬度（即現(xiàn)場(chǎng)總線）和相關(guān)器件特性，因?yàn)樗鼈冇脕?lái)標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動(dòng)器在網(wǎng)絡(luò)中的表達(dá)?，F(xiàn)場(chǎng)總線（比如 CAN 和 Profibus）自身千差萬(wàn)別，雖然都屬于現(xiàn)場(chǎng)總線，但是實(shí)際上并不具有互換性。為了降低成本和改善工業(yè)控制器之間的通信，現(xiàn)場(chǎng)總線提供商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案和數(shù)種新的協(xié)議，比如 EtherCAT 和 Profinet 等。除此之外，EtherNET I/P 也在近年來(lái)開(kāi)始大行其道。不過(guò)，這些都是自成體系的技術(shù)，迫使制造商不得不支持所有的提供商。

　　賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部（XDS）已經(jīng)為 ISM 領(lǐng)域的一家主要廠商開(kāi)發(fā)出了一款基于 FPGA、支持CANopen 和 EtherCAT 接口的電機(jī)控制平臺(tái)原型來(lái)解決這些問(wèn)題。賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部的工作是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能齊備的模塊化系統(tǒng)，以便在客戶的新一代智能驅(qū)動(dòng)器中重用。通過(guò)在模塊化系統(tǒng)架構(gòu)中集成賽靈思 Spartan-6 FPGA SP605 評(píng)估套件基礎(chǔ)目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)以及第三方 IP 核，提供先進(jìn)的電機(jī)控制算法和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)支持，實(shí)現(xiàn)了一款高效、可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)方案。

　　1 選擇 FPGA 的原因

　　客戶現(xiàn)有的基于微控制器的解決方案不能提供客戶最迫切需要的：一種可擴(kuò)展平臺(tái)?；赟partan-6 FPGA 的智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在單芯片上集成了所有必要的可擴(kuò)展性、邏輯和計(jì)算功能，在降低成本的同時(shí)還能避免過(guò)時(shí)。該平臺(tái)可以進(jìn)行多年的升級(jí)，以滿足最新工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的要求并使用最高效的電機(jī)控制算法。此外，由于 FPGA 的可重編程特性，因此可以根據(jù)客戶的特定要求對(duì)單個(gè)基礎(chǔ)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行定制，從而輕松地與現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成。簡(jiǎn)言之，Spartan-6 FPGA 能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域所有的嚴(yán)格要求。

　　賽靈思目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)提供了一套開(kāi)箱即用的高健碩性、高集成度、業(yè)經(jīng)測(cè)試的元件，對(duì)就像我們的客戶這樣的 FPGA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)新手來(lái)說(shuō)，是一個(gè)理想的起點(diǎn)。您可以通過(guò)向基礎(chǔ)平臺(tái)添加領(lǐng)域?qū)Ｓ煤褪袌?chǎng)專用平臺(tái)解決方案，讓最終設(shè)計(jì)在更大程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。這些目標(biāo)參考設(shè)計(jì)演示了真實(shí)世界 FPGA 實(shí)現(xiàn)的構(gòu)想，讓客戶集成精力進(jìn)行最終產(chǎn)品差異化特性的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，從而縮短學(xué)習(xí)時(shí)間。

　　我們的解決方案完美組合了 Spartan-6 SP605評(píng)估套件和第三方解決方案，其中包括 QdeSys 公司提供的 NetMot FMC 板，以及德國(guó)博世公司（Bosch）和倍福公司（Beckhoff）提供的工業(yè)網(wǎng)絡(luò) IP 核。這樣不僅目標(biāo)系統(tǒng)所有的基礎(chǔ)構(gòu)建塊一開(kāi)始就可以到位，而且我們無(wú)需定制FPGA 開(kāi)發(fā)板就可以進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)，從而讓客戶以最低的成本驗(yàn)證該新平臺(tái)的可行性。為了進(jìn)一步加快產(chǎn)品上市進(jìn)程，減少初次 FPGA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，客戶要求我們不僅要交付原型，還要為在其新一代智能驅(qū)動(dòng)器中使用 FPGA 提供支持。

　　最終，客戶的工程師和管理人員都從該方案受益匪淺。工程師在賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部精選的最佳實(shí)踐方式的基礎(chǔ)上，更快地掌握了基于 FPGA 的設(shè)計(jì)，而管理人員則縮短了產(chǎn)品交付時(shí)間，并降低了業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

　　2 智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原型

　　賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部的產(chǎn)品組合覆蓋了整個(gè) FPGA 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，從規(guī)范創(chuàng)建到編碼、驗(yàn)證、時(shí)序收斂和系統(tǒng)集成。集多年嵌入式處理器系統(tǒng)和軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)之大成，加上集成第三方 IP 核的能力、優(yōu)秀的項(xiàng)目管理實(shí)踐和全面認(rèn)證的 ISO9001 開(kāi)發(fā)流程，賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部能夠在客戶的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期早期交付智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原型。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的定制目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠讓客戶的工程師熟知 FPGA 設(shè)計(jì)流程，在新一代產(chǎn)品中優(yōu)化該技術(shù)的功能。

　　該智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原型的主要組件的詳細(xì)情況，請(qǐng)參看圖 1。

　　可編程邏輯控制器（PLC）負(fù)責(zé)運(yùn)行智能驅(qū)動(dòng)器，實(shí)時(shí)連接至工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)該原型，我們使用兩個(gè)基于 PC 的 PLC 來(lái)處理該系統(tǒng)支持的兩個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)：用于控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的 miControl mPLC 和用于 EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的 TwinCAT。PLC 負(fù)責(zé)生成預(yù)定義的命令信息（例如啟動(dòng)和停止），通過(guò)分析收到的響應(yīng)（當(dāng)前速度、溫度、電壓等）驗(yàn)證電機(jī)的運(yùn)行是否正常。

　　根據(jù) PLC 的組合以及智能驅(qū)動(dòng)器的類型（CAN 或 EtherCAT），工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或?yàn)榇锌偩€，或?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的100Mb 以太網(wǎng)接口。對(duì)這兩種解決方案，該原型在 PLC 和電機(jī)之間均使用直接連接，或?yàn)橛糜?CAN 的雙線串行接口，或?yàn)橛糜?EtherCAT 的標(biāo)準(zhǔn) RJ45 100Base-TX 以太網(wǎng)連接。

　　電機(jī)控制 PCB 板一般是智能驅(qū)動(dòng)器中眾多 PCB 板之一，專門(mén)用于根據(jù)來(lái)自 PLC 的命令對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。該電機(jī)控制 PCB 板可以讓 FPGA 充分發(fā)揮其靈活性。與常規(guī) ASIC/微處理器方案中采用的單接口、單電機(jī)控制算法解決方案不同，Spartan-6 FPGA 可以用專用網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)控制 IP 模塊和控制軟件重新編程，以滿足客戶的特定需要。采用這種方式，一塊 FPGA PCB 板就可以實(shí)現(xiàn)多塊 ASIC 板才能實(shí)現(xiàn)的功能。同時(shí)，它還提供了可以根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)更新 IP核的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)面向未來(lái)的智能驅(qū)動(dòng)器。

　　1 選擇 FPGA 的原因

　　客戶現(xiàn)有的基于微控制器的解決方案不能提供客戶最迫切需要的：一種可擴(kuò)展平臺(tái)。基于Spartan-6 FPGA 的智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在單芯片上集成了所有必要的可擴(kuò)展性、邏輯和計(jì)算功能，在降低成本的同時(shí)還能避免過(guò)時(shí)。該平臺(tái)可以進(jìn)行多年的升級(jí)，以滿足最新工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的要求并使用最高效的電機(jī)控制算法。此外，由于 FPGA 的可重編程特性，因此可以根據(jù)客戶的特定要求對(duì)單個(gè)基礎(chǔ)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行定制，從而輕松地與現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成。簡(jiǎn)言之，Spartan-6 FPGA 能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域所有的嚴(yán)格要求。

　　2 智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原型

　　該智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原型的主要組件的詳細(xì)情況，請(qǐng)參看圖 1。

　　該電機(jī)控制板的設(shè)計(jì)無(wú)需從頭開(kāi)始，賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部采用目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)概念，通過(guò)把賽靈思 Spartan-6 SP605 評(píng)估套件、NetMot FMC 板和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)控制 IP 核結(jié)合在一起，集成了客戶想要的所有元件，這樣在客戶完成新 PCB 板之前就交付了這款概念驗(yàn)證原型。圖2 顯示了如何把各個(gè)組件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)。最終，客戶的集成工作大為簡(jiǎn)化，無(wú)需對(duì)最終設(shè)計(jì)進(jìn)行重新工程設(shè)計(jì)，就能夠探求最佳的設(shè)計(jì)選擇。

　　圖2：基于 Spartan-6 FPGA 的電機(jī)控制板原型

　　圖2 中文字：

　　SP605 基礎(chǔ)目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)是一種通用 FPGA 平臺(tái)，在業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中集成了一個(gè) Spartan-6 LX45T 和許多常用外設(shè)，比如 DDR3 RAM、程序/比特流存儲(chǔ)用閃存、調(diào)試用 UART 以及 FPGA 編程用 JTAG。SP605 及所有最新賽靈思開(kāi)發(fā)板的另一個(gè)關(guān)鍵元件是 FPGA 夾層卡（FMC）接插件，它可以讓設(shè)計(jì)人員使用定制的功能和接口擴(kuò)展基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)板。

　　SP605 的這種特性使我們能夠使用 QDeSys NetMot FMC（www.qdesys.com）的功能來(lái)擴(kuò)展這個(gè)基本平臺(tái)。QDeSys NetMot FMC 具有電機(jī)控制所需要的電力電子元件，比如電壓逆變器，以及用于采集傳感器數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。可以把電機(jī)直接與圖 2 所示的輸入/輸出端相連。NetMot FMC 還通過(guò)添加兩個(gè) CAN 接口和兩個(gè)以太網(wǎng)物理層接口，擴(kuò)展了 SP605 的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接功能。它們通過(guò) FMC 接插件和 PLC，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口訪問(wèn)FPGA。

　　測(cè)試用 PC 機(jī)一方面用作 PLC 軟件的主機(jī)，另一方面通過(guò) UART 和 JTAG 接口，用作 FPGA編程/調(diào)試平臺(tái)。此外，我們還在這臺(tái)測(cè)試用 PC 機(jī)上用賽靈思 ISE？12.1 設(shè)計(jì)套件為 SP605的 LX45T PFGA 開(kāi)發(fā) MicroBlazeTM 嵌入式處理器系統(tǒng)。該嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理來(lái)自 PLC 的命令并相應(yīng)地對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。

　　圖 2 所示的 MicroBlaze 軟件應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)控制 IP 模塊代表隨接口（EtherCAT 或 CATopne）和選擇的電機(jī)類型會(huì)發(fā)生變化的設(shè)計(jì)模塊。賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部面臨的主要挑戰(zhàn)之一是要確保這些選項(xiàng)之間的切換盡量簡(jiǎn)化，從而保證客戶能夠在將來(lái)把相同的方法重復(fù)用于諸如 Profinet 更先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)類型以及新型電機(jī)中。

　　3 實(shí)現(xiàn)細(xì)則

　　讓我們來(lái)詳細(xì)查看 Spartan-6 嵌入式系統(tǒng)的各個(gè)組成部分。如圖 3 所示，我們使用的電機(jī)控制 IP 模塊——賽靈思電機(jī)控制庫(kù) （XMCLIB）在兩個(gè)設(shè)計(jì)版本中是完全相同的。這個(gè)定制 IP 核可以直接插在賽靈思嵌入式開(kāi)發(fā)套件（SDK）上，讓 FPGA 控制 NetMot FMC 的電機(jī)電力電子系統(tǒng)。這樣我們就可以把 IP 核添加到 Xilinx Platform Studio （XPS）項(xiàng)目的嵌入式設(shè)計(jì)中，并對(duì)其進(jìn)行配置，使之適用于通過(guò) FMC 接插件連接到 FPGA 的電機(jī)。XMCLIB 軟件驅(qū)動(dòng)程序是一套底層功能，使電機(jī)控制應(yīng)用能夠訪問(wèn) XMCLIB 寄存器接口。

　　圖3：CAN/EtherCAT 嵌入式系統(tǒng)

　　另一方面，網(wǎng)絡(luò) IP 核也是兩個(gè)系統(tǒng)版本的不同之處。對(duì)于 CAN 版設(shè)計(jì)，我們選擇標(biāo)準(zhǔn)的 LogiCORETM IP XPS 控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)隨同 ISE 12.1 設(shè)計(jì)套件提供，并由博世公司許可。對(duì)于 EtherCAT 版設(shè)計(jì)，我們使用倍福公司針對(duì)賽靈思 FPGA 開(kāi)發(fā)的 EtherCAT 從控制器IP核（www.beckhoff.com）。兩種 IP 核在 XPS 工具的 IP 目錄標(biāo)簽上都有提供，使設(shè)計(jì)的集成和配置工作異常簡(jiǎn)單明了。在本案例中，我們沒(méi)有使用簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)提供對(duì)網(wǎng)絡(luò) IP 核的訪問(wèn)，我們使用了Port 公司（www.port.de）提供的 CANopen 和 EtherCAT 協(xié)議棧解決方案。該解決方案提供了功能齊全的開(kāi)箱即用型協(xié)議實(shí)施方案。

　　最終，我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種定制嵌入式軟件應(yīng)用，可以在運(yùn)行于 MicroBlaze 處理器系統(tǒng)的 Micrium（www.micrium.com）μC/OS-II 上運(yùn)行。μC/OS-II 是一種嵌入式操作系統(tǒng)，可增強(qiáng)原型系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功能，并提供多任務(wù)、消息隊(duì)列和信號(hào)量等功能。

　　我們還意識(shí)到，應(yīng)該讓?xiě)?yīng)用的結(jié)構(gòu)能夠適用于多種不同的網(wǎng)絡(luò)接口。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)接口抽象層，可以讓我們封裝通信和軟件的電機(jī)控制組件。

　　在這個(gè)接口的一側(cè)（圖 4），我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊（Port 公司的 CANopen 或 EtherCAT），用以管理系統(tǒng)中可用網(wǎng)絡(luò) IP 核的通信。這些模塊可以無(wú)縫地插入我們的接口抽象層上。在這些協(xié)議棧的頂層，我們把通信和控制數(shù)據(jù)（比如 PDO、SDO 和 NMT 狀態(tài)交易）傳輸?shù)匠橄髮又?，然后抽象層將?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)譯并以諸如啟動(dòng)/停止、以特定速率旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)到特定位置之類的命令提交給電機(jī)控制應(yīng)用。

　　圖4：接口抽象層

　　為了為接口抽象層確定一組通用信息和命令，我們研究了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域現(xiàn)有的專著，研讀了 IEC 61800-7 標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，有幾種用于標(biāo)準(zhǔn)化與驅(qū)動(dòng)設(shè)備通信的方案（比如 CANopen 使用的 CiA-402、Profinet 使用的 PROFIdrive）。IEC 68000-7 標(biāo)準(zhǔn)提出了驅(qū)動(dòng)器的通用表達(dá)，并計(jì)劃提供這種通用表達(dá)與現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器特性之間的一組映射。

　　IEC 68000-7 標(biāo)準(zhǔn)提出的概念為我們開(kāi)發(fā)接口抽象層奠定了基礎(chǔ)，使我們能夠?qū)ο到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組件進(jìn)行封裝。我們因此可以更改系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)接口，而這只需要對(duì)軟件稍加定制修改，就可以讓其與現(xiàn)有的電機(jī)控制應(yīng)用兼容。

　　4 展望未來(lái)

　　這款智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原型的成功交付清晰地展現(xiàn)了 FPGA 在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線和電機(jī)控制領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?。雖然要開(kāi)發(fā)出功能齊全的產(chǎn)品還有一些工作要做，但賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部已為客戶量身定制了一款目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)，并通過(guò)性能增強(qiáng)，打造出了一款能夠顯著降低最終工程產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作量與風(fēng)險(xiǎn)的定制解決方案。下一步賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部將考慮擴(kuò)展該目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)，以支持 Profinet IP 核和協(xié)議棧，向客戶展現(xiàn)賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部采用的模塊方案和設(shè)計(jì)實(shí)踐的效果。

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