控制算法與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合FPGA SoC加速馬達(dá)開發(fā)

工業(yè)設(shè)計(jì)人員可望借助快速建立原形技術(shù)和模塊基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，將馬達(dá)控制算法移至FPGA SoC環(huán)境中，藉此開發(fā)出以FPGA SoC為核心的馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)，從而大幅減少組件數(shù)量與設(shè)計(jì)復(fù)雜性，同時(shí)降低系統(tǒng)成本并提高性能與穩(wěn)定性。

自90年代以來，馬達(dá)驅(qū)動開發(fā)人員一直采用多芯片架構(gòu)執(zhí)行馬達(dá)電機(jī)控制與需求處理。在此架構(gòu)中，散離數(shù)字訊號處理(DSP)芯片負(fù)責(zé)執(zhí)行馬達(dá)控制算法、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)執(zhí)行高速輸入輸出(I/O)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而離散型處理器則處理執(zhí)行控制。隨著FPGA SoC的推出，設(shè)計(jì)人員找到將這些功能合并至單一組件，并整合其他處理工作的方法。組件數(shù)量與復(fù)雜性的減少，不僅可以降低系統(tǒng)成本，還能提升系統(tǒng)效能與穩(wěn)定性。

但馬達(dá)驅(qū)動開發(fā)人員應(yīng)如何才能改變既有的設(shè)計(jì)方法，轉(zhuǎn)而采用FPGA SoC呢？

長期以來，工業(yè)設(shè)計(jì)人員一直采用模型化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，透過模擬和C代碼的產(chǎn)生，在數(shù)字信號處理器芯片上研發(fā)馬達(dá)控制算法。如今，賽靈思(Xilinx)與數(shù)學(xué)運(yùn)算軟件開發(fā)商MathWorks合作開發(fā)全新工作流程，能將模型化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)擴(kuò)展至可支持處理系統(tǒng)與可編程邏輯的FPGA SoC--Zynq-7000 All Programmable SoC。

具備更高處理效能　FPGA SoC適用于馬達(dá)控制

當(dāng)前先進(jìn)的馬達(dá)控制系統(tǒng)都屬于控制算法與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，包括EtherCAT、Profinet、Powerlink以及Sercos III，皆能從運(yùn)算資源中處理帶寬。此外，馬達(dá)控制系統(tǒng)現(xiàn)可結(jié)合包括運(yùn)動控制層、可編程邏輯控制器(PLC)層、診斷層及用戶接口等其他需求，進(jìn)行節(jié)能和維修或遠(yuǎn)程監(jiān)控。這些需求能將適合處理系統(tǒng)的組件轉(zhuǎn)化為邏輯分割區(qū)與實(shí)體分割區(qū)，而其他組件則適合于硬件輔助卸除與加速。

馬達(dá)開發(fā)人員所選擇的硬件平臺應(yīng)提供穩(wěn)健的可擴(kuò)展系統(tǒng)。FPGA SoC能滿足以上需求，同時(shí)搭配高效能處理系統(tǒng)，以支持連網(wǎng)、動態(tài)、軟PLC、診斷、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能，與可編程設(shè)計(jì)邏輯結(jié)合，加速硬件中關(guān)鍵效能的功能。

在處理方面，F(xiàn)PGA SoC與內(nèi)建NEON協(xié)處理器和浮點(diǎn)擴(kuò)展的安謀國際(ARM)Cortex-A9雙核心處理系統(tǒng)相結(jié)合，可加速軟件執(zhí)行速度。在可編程設(shè)計(jì)邏輯組件方面，則搭配超過44.4萬個(gè)邏輯單元和二千二百個(gè)DSP48區(qū)間，能處理大量帶寬。利用五個(gè)高吞吐量AMBA-4 AXI高速互連，加上可編程設(shè)計(jì)邏輯與處理系統(tǒng)的緊密結(jié)合，相當(dāng)于三千多個(gè)PIN的有效帶寬。

運(yùn)用Simulink/控制系統(tǒng)工具箱　裝置與馬達(dá)模型開發(fā)完成

現(xiàn)代控制算法須跨越多個(gè)系統(tǒng)時(shí)間與系統(tǒng)變量，造成硬、軟件分割成為一項(xiàng)嚴(yán)峻、耗時(shí)且重復(fù)的任務(wù)。一個(gè)典型的馬達(dá)驅(qū)動，電源頻率通常為50～60Hz，經(jīng)過整流后，形成連續(xù)直流(DC)電壓。該直流電壓轉(zhuǎn)換成變頻電壓，可控制馬達(dá)端子所需的功率。此外，控制器必須讀取馬達(dá)基本變量，包括電流和電壓?？刂破魍瑯禹氉x取或制定馬達(dá)軸心位置，包括軸心轉(zhuǎn)速和處理來自通訊網(wǎng)絡(luò)或監(jiān)視控制器的處理命令。

Simulink提供多域系統(tǒng)仿真和模型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的方塊圖環(huán)境，適用于具有控制算法和裝置模型的仿真系統(tǒng)。MathWorks的控制系統(tǒng)工具箱(Control Systems Toolbox)基于Simulink對控制系統(tǒng)建模常用之系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與微調(diào)的方法，提供多種 「應(yīng)用」工具。利用Simulink執(zhí)行系統(tǒng)建模，可加快馬達(dá)控制系統(tǒng)的開發(fā)速度，同時(shí)在以下幾個(gè)方面降低風(fēng)險(xiǎn)：

．降低受損風(fēng)險(xiǎn)
仿真法有助于全新控制系統(tǒng)算法的檢驗(yàn)，可降低生產(chǎn)硬件測試前，損壞驅(qū)動電子組件、馬達(dá)及系統(tǒng)其他組件的風(fēng)險(xiǎn)。

．加速系統(tǒng)整合
支持人員必須將控制系統(tǒng)新算法整合至生產(chǎn)系統(tǒng)，這意味著部署新控制器會花費(fèi)他們已經(jīng)有限的時(shí)間，部署過程也可能變得冗長。

．減少對設(shè)備的依賴
生產(chǎn)環(huán)境在某些情況下，可能不能使用，例如客制化的驅(qū)動電子組件或馬達(dá)驅(qū)動方案尚在開發(fā)階段，或并不在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以取得的地方。

基于上列因素，仿真法是進(jìn)行生產(chǎn)硬件測試的最佳替代方案。Simulink等模擬環(huán)境可從既有的馬達(dá)電機(jī)組件構(gòu)建模塊庫，提供創(chuàng)建裝置模型框架，利用該裝置模型對新的控制系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行評估。

將系統(tǒng)模型與快速成型環(huán)境及最終生產(chǎn)系統(tǒng)相連接，可進(jìn)一步降低時(shí)程風(fēng)險(xiǎn)?？焖俪尚凸ぷ髁鞒處椭惴ㄩ_發(fā)人員在不依賴硬件設(shè)計(jì)人員的情況下，進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。算法研究人員可在高度自動化過程中采用特定平臺支持套件，將系統(tǒng)硬件和軟件組件部署到可編譯為特定硬件開發(fā)平臺的設(shè)計(jì)模板。硬件與軟件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可將這些相同的硬件和軟件組件，重新應(yīng)用于最終生產(chǎn)系統(tǒng)之中，毋須做出任何修改，即可加速研發(fā)過程并減少失誤。
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