可以利用兩個控制器模型（一個六步控制器和一個PMSM磁場定向控制器）來啟動設計過程。圖9顯示了這兩個控制器的高級視圖。六步控制器實現(xiàn)一個用于BLDC電機的梯形控制器；FOC控制器提供一個FOC內(nèi)核以便集成到控制系統(tǒng)中。

　　圖9.Simulink控制器模型

　　工廠和控制器模型在仿真階段創(chuàng)建，通過完整系統(tǒng)的行為仿真來驗證控制器符合預期。控制器模型劃分為由C代碼和HDL 實現(xiàn)的多個部分，并指定時序、定點實現(xiàn)、采樣速率和環(huán)路時間等約束條件以確?？刂破髂Ｐ偷男袨榕c在硬件實現(xiàn)中一樣。圖10顯示了六步控制器的軟件和HDL 劃分。

　　圖10.控制器的C代碼和HDL劃分

　　一旦控制器在仿真中經(jīng)過全面驗證，下一步便是在硬件平臺上制作原型。針對ARM內(nèi)核和可編程邏輯，Zynq SoC引導工作流程從劃分為多個子系統(tǒng)的Simulink模型產(chǎn)生C代碼和HDL。利用此工作流程，HDL轉(zhuǎn)碼器生成針對可編程邏輯的HDL，嵌入式轉(zhuǎn)碼器則生成針對ARM的C代碼。MathWorks Zynq支持包支持從模型生成由算法C代碼組成的ARM可執(zhí)行文件（與AXI總線接口），并支持從模型生成由HDL代碼組成的位流（與可編程邏輯引腳和 AXI總線接口）。圖11顯示了控制器實現(xiàn)及其與ADI智能驅(qū)動器硬件的關系。

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　　圖11. 原型系統(tǒng)上的控制器實現(xiàn)

　　一旦將位流和可執(zhí)行文件加載到硬件中，就可以開始控制器的運行測試。利用Simulink與運行開源Linux OS的嵌入式系統(tǒng)之間的以太網(wǎng)鏈路執(zhí)行硬件在環(huán)（HIL）測試。軸轉(zhuǎn)速等電機參數(shù)可以在Simulink中捕捉，并與仿真結果相比較，確保實際系統(tǒng)實現(xiàn)與模型相符。一旦控制算法測試完畢，便可將控制器轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)系統(tǒng)上。

　　除了智能驅(qū)動器套件以外，ADI公司還提供完整的Vivado框架和Linux基礎設施以用于原型開發(fā)和最終生產(chǎn)。圖12顯示了支持智能驅(qū)動器套件的 Zynq基礎設施。該高級框圖說明了ADI參考設計在Xilinx Zynq SoC上是如何劃分的?？删幊踢壿媽崿F(xiàn)IP內(nèi)核，用于與ADC、位置傳感器和電機驅(qū)動級接口。由HDL轉(zhuǎn)碼器生成的HDL代表電機控制算法，集成到ADI 公司IP中。所有IP都有低速AXI-Lite接口用于配置和控制，并有高速AXIStreaming接口用于通過DMA通道向軟件傳輸實時數(shù)據(jù)。高速以太網(wǎng)接口可以利用ARM 處理系統(tǒng)的硬MAC外設或可編程邏輯中的Xilinx以太網(wǎng)IP實現(xiàn)。

　　ARM Cortex A9 處理系統(tǒng)運行ADI 公司提供的Ubuntu Linux，其中包括：與ADI公司智能驅(qū)動器硬件接口所需的Linux IIO驅(qū)動，用于監(jiān)測和控制的IIO Oscilloscope（示波器）用戶空間應用程序，支持實時數(shù)據(jù)采集和通過TCP控制系統(tǒng)的libiio服務器，在遠程計算機上運行的客戶端，以及整合嵌入式轉(zhuǎn)碼器所生成C代碼的可選用戶應用程序。

　　Figure 12. ADI Linux infrastructure

　　所有ADI Linux 驅(qū)動均基于Linux 工業(yè)I/O （IIO）子系統(tǒng)，其現(xiàn)已包括在所有主流Linux內(nèi)核中。IIO Scope是ADI公司開發(fā)的一款開源Linux應用程序，運行在Xilinx Zynq中的雙核ARMCortex A9上，能夠顯示連接到Xilinx Zynq平臺的ADI FMC卡所獲取的實時數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以在時域中、頻域中或以星座圖的形式顯示。支持以不同的常用文件格式（如逗號分隔值或.mat Matlab文件等）保存所捕獲的數(shù)據(jù)以供進一步分析。IIO Scope提供一個圖形用戶界面，用于更改或讀取ADI FMC卡的配置。

　　libiio服務器支持實時數(shù)據(jù)采集、通過TCP控制系統(tǒng)以及運行于遠程計算機上的客戶端。服務器運行于Linux下的嵌入式目標上，通過TCP管理目標與遠程客戶端之間的實時數(shù)據(jù)交換。IIO客戶端可以作為系統(tǒng)對象集成到MATLAB和Simulink原生應用程序中。一路HDMI 輸出用于在監(jiān)視器上顯示Linux界面，鼠標和鍵盤可通過USB 2.0端口連接到系統(tǒng)。

　　ADI 公司為智能驅(qū)動器套件提供的Linux軟件和HDL基礎設施，連同MathWorks和Xilinx提供的工具，非常適合開發(fā)電機控制應用原型。它們還包含適用于生產(chǎn)的組件，可將其集成到最終控制系統(tǒng)中，從而減少從概念到生產(chǎn)所需的時間和成本。

　　結論

　　本文說明了采用FPGA的現(xiàn)代電機控制系統(tǒng)的要求和趨勢，以及為滿足這些約束條件和幫助實現(xiàn)更高效、更精確的電機控制解決方案，MathWorks、 Xilinx和ADI公司帶給市場的工具和系統(tǒng)。通過將MathWorks基于模型的設計和自動生成代碼工具與強大的Xilinx Zynq SoC、ADI公司的隔離、功率、信號調(diào)理和測量解決方案相結合，電機驅(qū)動系統(tǒng)的設計、驗證、測試和實現(xiàn)可以比以前更有效率，進而提高電機控制性能并縮短上市時間。ADI公司智能驅(qū)動器套件與Avnet Zynq-7000 All Programmable SoC配合使用，為利用MathWorks Simulink設計的電機控制算法提供出色的原型開發(fā)環(huán)境。該智能驅(qū)動器套件帶有一組參考設計4，旨在為所有希望評估該系統(tǒng)的人士提供一個起點，并且?guī)椭鷨尤魏涡碌碾姍C控制項目。

　　參考文獻

　　Hill， Tom. “借助Matlab將電機驅(qū)動遷移到Zynq SoC設計中?！?Xcell 雜志，87期，2014年第二季度。

　　Dara O‘Sullivan、Jens Sorensen 和Aengus Murray “閉環(huán)電機控制中基于模型的設計工具?！盤CIM Europe， 2014.

　　Corradi， Dr. Giulio. “頻率空間矢量調(diào)制—第一部分?！?EDN網(wǎng)絡， 2012年10月4日。

　　AD-FMCMOTCON1-EBZ用戶指南。

　　Authors

　　Andrei Cozma ［andrei.cozma@analog.com］是ADI公司工程設計經(jīng)理，負責支持系 統(tǒng)級參考設計的設計與開發(fā)。他擁有工業(yè)自動化與信息技術學士學位及電子與電信博士學位。他參與了電機控制、工業(yè)自動化、軟件定義無線電和電信等不同行業(yè)領域的項目設計與開發(fā)。

　　Eric Cigan ［Eric.Cigan@mathworks.com］ 在MathWorks 從事技術營銷工作，負責支持SoC和FPGA設計工作流程。加入MathWorks之前，他先后在MathStar、AccelChip和Mentor Graphics從事技術營銷工作。Eric擁有麻省理工學院機械工程學士學位和碩士學位。

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