三相电机控制 - 基于模型的Zynq SoC软硬件协同设计工作流程及其案例研究

另一个促进因素是多轴向控制。可编程 SoC 上丰富的可编程逻辑和 DSP 资源为在单个可编程 SoC 上实现多个电机控制器开辟了无限可能。不论电机是单独运行还是组合运行，都可受控于集成动作控制系统之下。

工业网络 IP 集成是又一大因素。赛灵思及其 IP 合作伙伴提供的 IP 用于与 EtherCAT、PROFINET 和其他能方便地集成到可编程 SoC 中的工业网络协议集成。

由于电机驱动系统占全球耗电量的 46%，用新颖的控制算法取得更高效率是电机驱动设计追求的永无止境的共同目标。

为说明这一工作流程在通用电机控制案例上的运用,将以实现在 Zynq-7020 SoC 上的三相电机磁场定向控制算法为例(有关该硬件原型设计平台的详情，该电机控制系统模型包含两个主要的子系统（图 2）：一个是针对已经在 Zynq 处理系统和可编程逻辑间完成分区的 Zynq SoC 的电机控制器；另一个是连接到配有测量轴角度的编码器的无刷直流电机的电机控制 FPGA 夹层卡 (FMC)。

可以从数据流的角度观察软硬件分区：

• 速度控制 (Velocity Control) 模块和模式选择 (Mode Select) 模块被分配给 ARM Cortex-A9 处理系统，因为这两个模块与模型的其余部分相比运行在较低速度下，也因为它们是设计在开发过程中最有可能修改和重新编译的部分。

• 运行在 ARM 内核上的模式选择 (Mode Select) 状态机负责判断电机控制器的运行模式（开环运行还是闭环调节）。该状态机负责管理在切换到闭环控制模式之前的启动、开环控制和编码器校准模式之间的切换工作。

• 编码器传感器信号通过外部端口传递给可编程逻辑中的编码器外设 (Encoder Peripheral)，然后传递给位置/速度估算 (Position/Velocity Estimate) 模块，计算电机的状态（轴位置和速度）。

• 一个ΣΔADC 感知电机电流，随即由手动编码 ADC 外设模块处理该电流。

• 电流控制器负责获取电机状态与电流、工作状态以及 ARM 内核通过 AXI4 接口传递的速度控制命令，据此计算电流控制器命令。在处于闭环模式下时，电流控制器使用比例积分 (PI) 控制原理，其增益可使用仿真和原型设计加以微调。

• 电流控制器命令穿越电压转换模块，通过 PWM 外设输出给电机控制 FMC，最终用于驱动电机。

设计人员能在 Simulink 中为完整系统建立模型（图 3）。

在基于模型的设计中，系统的顶层 Simulink 模型的组件数量增加到四个：

• 输入模型：负责向控制器提供受控轴速度和开/关命令，用作激励信号；
• 电机控制算法模型：主要用于 Zynq SoC；
• 设备模型：包括 FMC 驱动电子电路、无刷直流电机的永磁同步电机 (PMSM) 模型、电机轴上的惯性负载模型和编码器传感器模型；以及
• 输出验证模型：包含后处理和图形功能，有助于算法开发人员优化和验证模型。

在 Simulink 中可以在远早于开始硬件测试的时候就借助仿真彻底检验该算法。可以细调 PI 控制器的增益，尝试多种激励配置，检验不同处理速度的结果。在使用仿真的时候需要面对一个根本性问题：由于电机控制中一般存在着好几种千差万别的速度，即 1-10Hz 的总体机械响应速度、1-25 KHz 的内核控制器算法速度、10-50 MHz 的可编程逻辑运行速度，仿真运行时间从数分钟到数小时不等。我们可以借助一种对外设（PWM、电流感应和编码器处理）使用行为模型的控制环路模型解决这一问题，生成如图 3 所示的时间响应。

仿真与硬件环境之间的持续验证让设计人员在设计流程中尽早发现并解决问题。

在使用控制环路模型微调控制器之后，下一步是使用包含外设的高保真度模型在仿真中证明控制器的合格性。方法是加入用于控制器的 C 和 HDL 组件的时序精度规格模型。这些规格模型拥有生成 C 和 HDL 代码所需的语义。通过仿真随后验证配备规格模型的系统能极为精确地追踪控制环路模型。