实例 - 基于ZYNQ SOC的电机控制及实例分析

设计人员可以将vnet Zynq-7000 AP SoC / 模拟器件智能驱动套件与Simulink以及Zynq SoC工作流程相结合，实现针对电机控制应用的整套快速原型系统。该套件整合了 Zynq SoC与最新一代模拟器件高精度数据转换器以及数字隔离技术。该套件可支持高性能电机控制与双端口千兆位以太网工业联网（ boards-and-kits/1-490M1P.htm )。

该套件配有Avnet ZedBoard 7020基板、模拟器件AD-FMCMOTCON1-EBZ模块、额定转速为4000RPM的24V BLDC电机，同时还配有霍尔效应传感器和1250-CPR索引编码器，其中AD-FMCMOTCON1-EBZ模块可以驱动带有24V外部电源（该套件本身带有）的无刷直流步进式电机。此外，该套件还含有Zynq SoC磁场导向控制参考设计以及包括驱动程序、应用软件与源代码的模拟器件Ubuntu Linux框架。

实例：电机梯形控制

现在让我们通过Simulink仿真将上述工作流程应用于图1中的电机梯形控制系统，通过仿真装置评估控制器，然后采用智能驱动套件对该控制器进行原型设计。最后，我们利用硬件测试的结果来对Simulink模型进行验证。

在该实例中，我们将使用智能驱动套件来驱动以铝盘形式存在的惯性载荷以及基础梯形控制器。该控制器的主要组件如下：
霍尔效应传感器——检测电机位置
速度估计器——根据传感器信号计算转子转速
六步换向器——根据转子位置与转速计算相位电压与变频器使能信号。
脉宽调制（PWM）——通过驱动回路驱动控制器输出。

我们首先采用适用于控制环路分析的系统行为、控制环路模型。首先，我们利用仿真对模型进行评估，模型接受脉冲测试，指令模型按照150转/秒的转速旋转，持续2秒，然后停止。通过调节控制回路的比例积分（PI）控制器增益，我们可以获得1.2秒稳定时间，并且过冲可以忽略不计（图3中紫色阴影标志即为控制环路仿真结果；有关本实例的详情，敬请访问mathworks.com/zidk)。

设置好控制环路增益之后，我们现在可将控制器置于更加精准的系统模型上进行测试。与控制环路模型相比，系统模型内含更加细化的驱动电子系统模型，更为重要的是，系统模型所包含的细化模型可以指定控制器与外设实施，其中包括PWM与霍尔效应传感器处理过程中所使用的准确时序模型。

我们已针对Zynq SoC规划出了控制器，速度控制器与速度估计器在ARM核上运行，频率为1kHz，换向器、霍尔传感器以及PWM均在Zynq SoC可编程逻辑上运行。

我们可以对比控制环路和系统模型的仿真结果（图3中红色标志即为系统模型结果）。一般来说，两个波形的相似度非常高，但电机速率除外，它趋向于零。在这些点上，霍尔传感器粗糙度非常明显，而且电机轴每次转动只有六个标志脉冲。这种高保真系统模型7分钟内即可运行一次为时4秒的仿真，而对于保真较低的控制环路模型而言，只能运行一次为时7秒的仿真。对于控制系统设计人员而言，其意义在于上述仿真结果可以让我们更加坚信，控制环路模型对于进一步评估控制器替代方案来说足够准确，无需使用系统模型进行硬件测试，即可验证替代方案。

有了这些发现，我们即可利用智能驱动套件设计出控制器的原型。通过Zynq SoC推荐的工作流程，我们可以利用Simulink模型生成C代码与HDL代码，Simulink模型已被分割成数个特定于ARM核以及可编程逻辑的子系统（图4）。

我们按照上述工作流程，使用MathWorks的HDL代码生成器生成IP核，此IP核将在Zynq SoC器件的可编程逻辑中运行，以便建立在ARM核上运行的可执行程序，并且在ARM核与可执行程序之间建立AXI总线接口。

将bit文件加载载入可编程逻辑以及在ARM核上运行可执行程序之后，我们即可进行环路中的硬件测试。对于此测试，我们采用经过改良的Simulink测试平台模型，我们已经拆除该模型中的驱动电子系统、电机以及传感器模型，因为我们采用了环路中的硬件取代被仿真的装置模型。为了方便我们检查测试结果，同时方便与仿真结果进行对比，我们可将Zynq SoC设置成将电机轴速度测量以及其它数据存储于ARM核内存之中（图3中黑色阴影标志即为硬件测试结果）。这样，我们即可将结果上传至MATLAB session，在试验结束时将脉冲输入应用于测试平台，即可处理和查看结果。如此一来，我们即可在硬件中准确重复我们采用仿真进行的测试。原型设计的测试结果与仿真结果非常接近，其中包括因霍尔传感器导致电机速度实测值发生中断。

本简述证明了MathWorks的Zynq SoC工作流程可应用于基于模型的设计，实现仿真和原型设计。如果想继续深入生产，您可以将所生成的C代码和HDL代码导入Vivado® 设计套件，在该套件中您可将这些代码与执行程序、联网IP以及完整执行系统所必需的其它设计组件进行整合。

如需下载本文所述模型以及了解更多有关如何利用Zynq-7000 All Programmable SoC / Avnet模拟器件智能驱动套件完成基于模型的设计，敬请访问：mathworks.com/zidk。您还可以从本页浏览在Zynq SoC器件上执行完整磁场导向控制模型的Simulink模型，也可以观看上述实例的视频，了解更多详情。