基于FPGA的電機智能驅動(dòng)控制系統設計

　　賽靈思設計服務(wù)部 （XDS） 已經(jīng)為 ISM 領(lǐng)域的一家主要廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出了一款基于 FPGA、支持CANopen 和 EtherCAT 接口的電機控制平臺原型來(lái)解決這些問(wèn)題。賽靈思設計服務(wù)部的工作是設計并實(shí)現一個(gè)功能齊備的模塊化系統，以便在客戶(hù)的新一代智能驅動(dòng)器中重用。通過(guò)在模塊化系統架構中集成賽靈思 Spartan-6 FPGA SP605 評估套件基礎目標設計平臺以及第三方 IP 核，提供先進(jìn)的電機控制算法和工業(yè)網(wǎng)絡(luò )支持，實(shí)現了一款高效、可擴展的設計方案。

　　1 選擇 FPGA 的原因

　　客戶(hù)現有的基于微控制器的解決方案不能提供客戶(hù)最迫切需要的：一種可擴展平臺?；赟partan-6 FPGA 的智能驅動(dòng)控制系統在單芯片上集成了所有必要的可擴展性、邏輯和計算功能，在降低成本的同時(shí)還能避免過(guò)時(shí)。該平臺可以進(jìn)行多年的升級，以滿(mǎn)足最新工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準的要求并使用最高效的電機控制算法。此外，由于 FPGA 的可重編程特性，因此可以根據客戶(hù)的特定要求對單個(gè)基礎電機控制系統進(jìn)行定制，從而輕松地與現有工業(yè)網(wǎng)絡(luò )集成。簡(jiǎn)言之，Spartan-6 FPGA 能夠滿(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域所有的嚴格要求。

　　賽靈思目標設計平臺提供了一套開(kāi)箱即用的高健碩性、高集成度、業(yè)經(jīng)測試的元件，對就像我們的客戶(hù)這樣的 FPGA 系統設計新手來(lái)說(shuō)，是一個(gè)理想的起點(diǎn)。您可以通過(guò)向基礎平臺添加領(lǐng)域專(zhuān)用和市場(chǎng)專(zhuān)用平臺解決方案，讓最終設計在更大程度上實(shí)現自動(dòng)化。這些目標參考設計演示了真實(shí)世界 FPGA 實(shí)現的構想，讓客戶(hù)集成精力進(jìn)行最終產(chǎn)品差異化特性的設計與開(kāi)發(fā)，從而縮短學(xué)習時(shí)間。

　　我們的解決方案完美組合了 Spartan-6 SP605評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。這樣不僅目標系統所有的基礎構建塊一開(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(hù)以最低的成本驗證該新平臺的可行性。為了進(jìn)一步加快產(chǎn)品上市進(jìn)程，減少初次 FPGA 系統設計的風(fēng)險，客戶(hù)要求我們不僅要交付原型，還要為在其新一代智能驅動(dòng)器中使用 FPGA 提供支持。

　　最終，客戶(hù)的工程師和管理人員都從該方案受益匪淺。工程師在賽靈思設計服務(wù)部精選的最佳實(shí)踐方式的基礎上，更快地掌握了基于 FPGA 的設計，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。

　　2 智能驅動(dòng)控制系統原型

　　賽靈思設計服務(wù)部的產(chǎn)品組合覆蓋了整個(gè) FPGA 設計開(kāi)發(fā)周期，從規范創(chuàng )建到編碼、驗證、時(shí)序收斂和系統集成。集多年嵌入式處理器系統和軟件應用設計經(jīng)驗之大成，加上集成第三方 IP 核的能力、優(yōu)秀的項目管理實(shí)踐和全面認證的 ISO9001 開(kāi)發(fā)流程，賽靈思設計服務(wù)部能夠在客戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期早期交付智能驅動(dòng)控制系統原型。在此基礎上開(kāi)發(fā)出的定制目標設計平臺能夠讓客戶(hù)的工程師熟知 FPGA 設計流程，在新一代產(chǎn)品中優(yōu)化該技術(shù)的功能。

　　該智能驅動(dòng)控制系統原型的主要組件的詳細情況，請參看圖 1。

　　可編程邏輯控制器 （PLC） 負責運行智能驅動(dòng)器，實(shí)時(shí)連接至工業(yè)網(wǎng)絡(luò )。為實(shí)現該原型，我們使用兩個(gè)基于 PC 的 PLC 來(lái)處理該系統支持的兩個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準：用于控制器區域網(wǎng)絡(luò )的 miControl mPLC 和用于 EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)系統的 TwinCAT。PLC 負責生成預定義的命令信息（例如啟動(dòng)和停止），通過(guò)分析收到的響應（當前速度、溫度、電壓等）驗證電機的運行是否正常。

　　根據 PLC 的組合以及智能驅動(dòng)器的類(lèi)型（CAN 或 EtherCAT），工業(yè)網(wǎng)絡(luò )或為串行總線(xiàn)，或為標準的100Mb 以太網(wǎng)接口。對這兩種解決方案，該原型在 PLC 和電機之間均使用直接連接，或為用于 CAN 的雙線(xiàn)串行接口，或為用于 EtherCAT 的標準 RJ45 100Base-TX 以太網(wǎng)連接。

　　電機控制 PCB 板一般是智能驅動(dòng)器中眾多 PCB 板之一，專(zhuān)門(mén)用于根據來(lái)自 PLC 的命令對電機進(jìn)行控制。該電機控制 PCB 板可以讓 FPGA 充分發(fā)揮其靈活性。與常規 ASIC/微處理器方案中采用的單接口、單電機控制算法解決方案不同，Spartan-6 FPGA 可以用專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )和電機控制 IP 模塊和控制軟件重新編程，以滿(mǎn)足客戶(hù)的特定需要。采用這種方式，一塊 FPGA PCB 板就可以實(shí)現多塊 ASIC 板才能實(shí)現的功能。同時(shí)，它還提供了可以根據最新標準更新 IP核的機制，實(shí)現面向未來(lái)的智能驅動(dòng)器。

　　智能驅動(dòng)器以及許多汽車(chē)和 ISM 廠(chǎng)商正面臨著(zhù)滿(mǎn)足新的市場(chǎng)需求和不斷發(fā)展的標準要求所帶來(lái)的重重挑戰。在現代工業(yè)和汽車(chē)應用中，電機必須具有高效、低噪聲、速度范圍寬、可靠性高、成本合理等特性。在當今工廠(chǎng)里，電機驅動(dòng)型設備占總耗電量的三分之二，因此開(kāi)發(fā)能效更高的系統勢在必行。由于在許多情況下驅動(dòng)器只是大規模工藝的一個(gè)組件，因此互操作性也是一項關(guān)鍵的設計要求。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（即現場(chǎng)總線(xiàn)）和相關(guān)器件特性，因為它們用來(lái)標準化驅動(dòng)器在網(wǎng)絡(luò )中的表達?，F場(chǎng)總線(xiàn)（比如 CAN 和 Profibus）自身千差萬(wàn)別，雖然都屬于現場(chǎng)總線(xiàn)，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，現場(chǎng)總線(xiàn)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。

　　賽靈思設計服務(wù)部 （XDS） 已經(jīng)為 ISM 領(lǐng)域的一家主要廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)出了一款基于 FPGA、支持CANopen 和 EtherCAT 接口的電機控制平臺原型來(lái)解決這些問(wèn)題。賽靈思設計服務(wù)部的工作是設計并實(shí)現一個(gè)功能齊備的模塊化系統，以便在客戶(hù)的新一代智能驅動(dòng)器中重用。通過(guò)在模塊化系統架構中集成賽靈思 Spartan-6 FPGA SP605 評估套件基礎目標設計平臺以及第三方 IP 核，提供先進(jìn)的電機控制算法和工業(yè)網(wǎng)絡(luò )支持，實(shí)現了一款高效、可擴展的設計方案。

　　1 選擇 FPGA 的原因

　　客戶(hù)現有的基于微控制器的解決方案不能提供客戶(hù)最迫切需要的：一種可擴展平臺?；赟partan-6 FPGA 的智能驅動(dòng)控制系統在單芯片上集成了所有必要的可擴展性、邏輯和計算功能，在降低成本的同時(shí)還能避免過(guò)時(shí)。該平臺可以進(jìn)行多年的升級，以滿(mǎn)足最新工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準的要求并使用最高效的電機控制算法。此外，由于 FPGA 的可重編程特性，因此可以根據客戶(hù)的特定要求對單個(gè)基礎電機控制系統進(jìn)行定制，從而輕松地與現有工業(yè)網(wǎng)絡(luò )集成。簡(jiǎn)言之，Spartan-6 FPGA 能夠滿(mǎn)足工業(yè)領(lǐng)域所有的嚴格要求。

　　賽靈思目標設計平臺提供了一套開(kāi)箱即用的高健碩性、高集成度、業(yè)經(jīng)測試的元件，對就像我們的客戶(hù)這樣的 FPGA 系統設計新手來(lái)說(shuō)，是一個(gè)理想的起點(diǎn)。您可以通過(guò)向基礎平臺添加領(lǐng)域專(zhuān)用和市場(chǎng)專(zhuān)用平臺解決方案，讓最終設計在更大程度上實(shí)現自動(dòng)化。這些目標參考設計演示了真實(shí)世界 FPGA 實(shí)現的構想，讓客戶(hù)集成精力進(jìn)行最終產(chǎn)品差異化特性的設計與開(kāi)發(fā)，從而縮短學(xué)習時(shí)間。

　　我們的解決方案完美組合了 Spartan-6 SP605評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。這樣不僅目標系統所有的基礎構建塊一開(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(hù)以最低的成本驗證該新平臺的可行性。為了進(jìn)一步加快產(chǎn)品上市進(jìn)程，減少初次 FPGA 系統設計的風(fēng)險，客戶(hù)要求我們不僅要交付原型，還要為在其新一代智能驅動(dòng)器中使用 FPGA 提供支持。

　　最終，客戶(hù)的工程師和管理人員都從該方案受益匪淺。工程師在賽靈思設計服務(wù)部精選的最佳實(shí)踐方式的基礎上，更快地掌握了基于 FPGA 的設計，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。

　　2 智能驅動(dòng)控制系統原型

　　賽靈思設計服務(wù)部的產(chǎn)品組合覆蓋了整個(gè) FPGA 設計開(kāi)發(fā)周期，從規范創(chuàng )建到編碼、驗證、時(shí)序收斂和系統集成。集多年嵌入式處理器系統和軟件應用設計經(jīng)驗之大成，加上集成第三方 IP 核的能力、優(yōu)秀的項目管理實(shí)踐和全面認證的 ISO9001 開(kāi)發(fā)流程，賽靈思設計服務(wù)部能夠在客戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期早期交付智能驅動(dòng)控制系統原型。在此基礎上開(kāi)發(fā)出的定制目標設計平臺能夠讓客戶(hù)的工程師熟知 FPGA 設計流程，在新一代產(chǎn)品中優(yōu)化該技術(shù)的功能。

　　該智能驅動(dòng)控制系統原型的主要組件的詳細情況，請參看圖 1。

　　可編程邏輯控制器 （PLC） 負責運行智能驅動(dòng)器，實(shí)時(shí)連接至工業(yè)網(wǎng)絡(luò )。為實(shí)現該原型，我們使用兩個(gè)基于 PC 的 PLC 來(lái)處理該系統支持的兩個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準：用于控制器區域網(wǎng)絡(luò )的 miControl mPLC 和用于 EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)系統的 TwinCAT。PLC 負責生成預定義的命令信息（例如啟動(dòng)和停止），通過(guò)分析收到的響應（當前速度、溫度、電壓等）驗證電機的運行是否正常。