基于FPGA的電機智能驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

　　賽靈思設(shè)計服務(wù)部 （XDS） 已經(jīng)為 ISM 領(lǐng)域的一家主要廠商開發(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解決這些問題。賽靈思設(shè)計服務(wù)部的工作是設(shè)計并實現(xiàn)一個功能齊備的模塊化系統(tǒng)，以便在客戶的新一代智能驅(qū)動器中重用。通過在模塊化系統(tǒng)架構(gòu)中集成賽靈思 Spartan-6 FPGA SP605 評估套件基礎(chǔ)目標(biāo)設(shè)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，實現(xiàn)了一款高效、可擴展的設(shè)計方案。

　　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：一種可擴展平臺?；赟partan-6 FPGA 的智能驅(qū)動控制系統(tǒng)在單芯片上集成了所有必要的可擴展性、邏輯和計算功能，在降低成本的同時還能避免過時。該平臺可以進(jìn)行多年的升級，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)客戶的特定要求對單個基礎(chǔ)電機控制系統(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)計平臺提供了一套開箱即用的高健碩性、高集成度、業(yè)經(jīng)測試的元件，對就像我們的客戶這樣的 FPGA 系統(tǒng)設(shè)計新手來說，是一個理想的起點。您可以通過向基礎(chǔ)平臺添加領(lǐng)域?qū)Ｓ煤褪袌鰧Ｓ闷脚_解決方案，讓最終設(shè)計在更大程度上實現(xiàn)自動化。這些目標(biāo)參考設(shè)計演示了真實世界 FPGA 實現(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)計與開發(fā)，從而縮短學(xué)習(xí)時間。

　　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(biāo)系統(tǒng)所有的基礎(chǔ)構(gòu)建塊一開始就可以到位，而且我們無需定制FPGA 開發(fā)板就可以進(jìn)行原型開發(fā)，從而讓客戶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(tǒng)設(shè)計的風(fēng)險，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)計服務(wù)部精選的最佳實踐方式的基礎(chǔ)上，更快地掌握了基于 FPGA 的設(shè)計，而管理人員則縮短了產(chǎn)品交付時間，并降低了業(yè)務(wù)風(fēng)險。

　　2 智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型

　　賽靈思設(shè)計服務(wù)部的產(chǎn)品組合覆蓋了整個 FPGA 設(shè)計開發(fā)周期，從規(guī)范創(chuàng)建到編碼、驗證、時序收斂和系統(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)秀的項目管理實踐和全面認(rèn)證的 ISO9001 開發(fā)流程，賽靈思設(shè)計服務(wù)部能夠在客戶的產(chǎn)品開發(fā)周期早期交付智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的定制目標(biāo)設(shè)計平臺能夠讓客戶的工程師熟知 FPGA 設(shè)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(qū)動控制系統(tǒng)原型的主要組件的詳細(xì)情況，請參看圖 1。

　　可編程邏輯控制器 （PLC） 負(fù)責(zé)運行智能驅(qū)動器，實時連接至工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。為實現(xiàn)該原型，我們使用兩個基于 PC 的 PLC 來處理該系統(tǒng)支持的兩個工業(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（例如啟動和停止），通過分析收到的響應(yīng)（當(dāng)前速度、溫度、電壓等）驗證電機的運行是否正常。

　　根據(jù) PLC 的組合以及智能驅(qū)動器的類型（CAN 或 EtherCAT），工業(yè)網(wǎng)絡(luò)或為串行總線，或為標(biāo)準(zhǔn)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 的雙線串行接口，或為用于 EtherCAT 的標(biāo)準(zhǔn) RJ45 100Base-TX 以太網(wǎng)連接。

　　電機控制 PCB 板一般是智能驅(qū)動器中眾多 PCB 板之一，專門用于根據(jù)來自 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(guī) 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 可以用專用網(wǎng)絡(luò)和電機控制 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 板就可以實現(xiàn)多塊 ASIC 板才能實現(xiàn)的功能。同時，它還提供了可以根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)更新 IP核的機制，實現(xiàn)面向未來的智能驅(qū)動器。

　　智能驅(qū)動器以及許多汽車和 ISM 廠商正面臨著滿足新的市場需求和不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)要求所帶來的重重挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代工業(yè)和汽車應(yīng)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(dāng)今工廠里，電機驅(qū)動型設(shè)備占總耗電量的三分之二，因此開發(fā)能效更高的系統(tǒng)勢在必行。由于在許多情況下驅(qū)動器只是大規(guī)模工藝的一個組件，因此互操作性也是一項關(guān)鍵的設(shè)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(xiàn)場總線）和相關(guān)器件特性，因為它們用來標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動器在網(wǎng)絡(luò)中的表達(dá)?，F(xiàn)場總線（比如 CAN 和 Profibus）自身千差萬別，雖然都屬于現(xiàn)場總線，但是實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)場總線提供商已經(jīng)開發(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 也在近年來開始大行其道。不過，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)計服務(wù)部 （XDS） 已經(jīng)為 ISM 領(lǐng)域的一家主要廠商開發(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解決這些問題。賽靈思設(shè)計服務(wù)部的工作是設(shè)計并實現(xiàn)一個功能齊備的模塊化系統(tǒng)，以便在客戶的新一代智能驅(qū)動器中重用。通過在模塊化系統(tǒng)架構(gòu)中集成賽靈思 Spartan-6 FPGA SP605 評估套件基礎(chǔ)目標(biāo)設(shè)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，實現(xiàn)了一款高效、可擴展的設(shè)計方案。

　　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：一種可擴展平臺?；赟partan-6 FPGA 的智能驅(qū)動控制系統(tǒng)在單芯片上集成了所有必要的可擴展性、邏輯和計算功能，在降低成本的同時還能避免過時。該平臺可以進(jìn)行多年的升級，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)客戶的特定要求對單個基礎(chǔ)電機控制系統(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)計平臺提供了一套開箱即用的高健碩性、高集成度、業(yè)經(jīng)測試的元件，對就像我們的客戶這樣的 FPGA 系統(tǒng)設(shè)計新手來說，是一個理想的起點。您可以通過向基礎(chǔ)平臺添加領(lǐng)域?qū)Ｓ煤褪袌鰧Ｓ闷脚_解決方案，讓最終設(shè)計在更大程度上實現(xiàn)自動化。這些目標(biāo)參考設(shè)計演示了真實世界 FPGA 實現(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)計與開發(fā)，從而縮短學(xué)習(xí)時間。

　　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(biāo)系統(tǒng)所有的基礎(chǔ)構(gòu)建塊一開始就可以到位，而且我們無需定制FPGA 開發(fā)板就可以進(jìn)行原型開發(fā)，從而讓客戶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(tǒng)設(shè)計的風(fēng)險，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)計服務(wù)部精選的最佳實踐方式的基礎(chǔ)上，更快地掌握了基于 FPGA 的設(shè)計，而管理人員則縮短了產(chǎn)品交付時間，并降低了業(yè)務(wù)風(fēng)險。

　　2 智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型

　　賽靈思設(shè)計服務(wù)部的產(chǎn)品組合覆蓋了整個 FPGA 設(shè)計開發(fā)周期，從規(guī)范創(chuàng)建到編碼、驗證、時序收斂和系統(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)秀的項目管理實踐和全面認(rèn)證的 ISO9001 開發(fā)流程，賽靈思設(shè)計服務(wù)部能夠在客戶的產(chǎn)品開發(fā)周期早期交付智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的定制目標(biāo)設(shè)計平臺能夠讓客戶的工程師熟知 FPGA 設(shè)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(qū)動控制系統(tǒng)原型的主要組件的詳細(xì)情況，請參看圖 1。

　　可編程邏輯控制器 （PLC） 負(fù)責(zé)運行智能驅(qū)動器，實時連接至工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。為實現(xiàn)該原型，我們使用兩個基于 PC 的 PLC 來處理該系統(tǒng)支持的兩個工業(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（例如啟動和停止），通過分析收到的響應(yīng)（當(dāng)前速度、溫度、電壓等）驗證電機的運行是否正常。