基于FPGA的電機(jī)智能驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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?yàn)榇锌偩€，或?yàn)闃?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(jī)之間均使用直接連接，或?yàn)橛糜?CAN 的雙線串行接口，或?yàn)橛糜?EtherCAT 的標(biāo)準(zhǔn) RJ45 100Base-TX 以太網(wǎng)連接。

　　電機(jī)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(jī)進(jìn)行控制。該電機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)多塊 ASIC 板才能實(shí)現(xiàn)的功能。同時(shí)，它還提供了可以根據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)更新 IP核的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)面向未來的智能驅(qū)動器。

　　該電機(jī)控制板的設(shè)計(jì)無需從頭開始，賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部采用目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺概念，通過把賽靈思 Spartan-6 SP605 評估套件、NetMot FMC 板和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)控制 IP 核結(jié)合在一起，集成了客戶想要的所有元件，這樣在客戶完成新 PCB 板之前就交付了這款概念驗(yàn)證原型。圖2 顯示了如何把各個組件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)原型開發(fā)平臺。最終，客戶的集成工作大為簡化，無需對最終設(shè)計(jì)進(jìn)行重新工程設(shè)計(jì)，就能夠探求最佳的設(shè)計(jì)選擇。

　　圖2：基于 Spartan-6 FPGA 的電機(jī)控制板原型

　　圖2 中文字：

　　SP605 基礎(chǔ)目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺是一種通用 FPGA 平臺，在業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中集成了一個 Spartan-6 LX45T 和許多常用外設(shè)，比如 DDR3 RAM、程序/比特流存儲用閃存、調(diào)試用 UART 以及 FPGA 編程用 JTAG。SP605 及所有最新賽靈思開發(fā)板的另一個關(guān)鍵元件是 FPGA 夾層卡 （FMC） 接插件，它可以讓設(shè)計(jì)人員使用定制的功能和接口擴(kuò)展基礎(chǔ)開發(fā)板。

　　SP605 的這種特性使我們能夠使用 QDeSys NetMot FMC（www.qdesys.com）的功能來擴(kuò)展這個基本平臺。QDeSys NetMot FMC 具有電機(jī)控制所需要的電力電子元件，比如電壓逆變器，以及用于采集傳感器數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。可以把電機(jī)直接與圖 2 所示的輸入/輸出端相連。NetMot FMC 還通過添加兩個 CAN 接口和兩個以太網(wǎng)物理層接口，擴(kuò)展了 SP605 的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接功能。它們通過 FMC 接插件和 PLC，通過標(biāo)準(zhǔn)接口訪問FPGA。

　　測試用 PC 機(jī)一方面用作 PLC 軟件的主機(jī)，另一方面通過 UART 和 JTAG 接口，用作 FPGA編程/調(diào)試平臺。此外，我們還在這臺測試用 PC 機(jī)上用賽靈思 ISE？12.1 設(shè)計(jì)套件為 SP605的 LX45T PFGA 開發(fā) MicroBlazeTM 嵌入式處理器系統(tǒng)。該嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理來自 PLC 的命令并相應(yīng)地對電機(jī)進(jìn)行控制。

　　圖 2 所示的 MicroBlaze 軟件應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)控制 IP 模塊代表隨接口（EtherCAT 或 CATopne）和選擇的電機(jī)類型會發(fā)生變化的設(shè)計(jì)模塊。賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部面臨的主要挑戰(zhàn)之一是要確保這些選項(xiàng)之間的切換盡量簡化，從而保證客戶能夠在將來把相同的方法重復(fù)用于諸如 Profinet 更先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)類型以及新型電機(jī)中。

　　3 實(shí)現(xiàn)細(xì)則

　　讓我們來詳細(xì)查看 Spartan-6 嵌入式系統(tǒng)的各個組成部分。如圖 3 所示，我們使用的電機(jī)控制 IP 模塊——賽靈思電機(jī)控制庫 （XMCLIB） 在兩個設(shè)計(jì)版本中是完全相同的。這個定制 IP 核可以直接插在賽靈思嵌入式開發(fā)套件 （SDK） 上，讓 FPGA 控制 NetMot FMC 的電機(jī)電力電子系統(tǒng)。這樣我們就可以把 IP 核添加到 Xilinx Platform Studio （XPS） 項(xiàng)目的嵌入式設(shè)計(jì)中，并對其進(jìn)行配置，使之適用于通過 FMC 接插件連接到 FPGA 的電機(jī)。XMCLIB 軟件驅(qū)動程序是一套底層功能，使電機(jī)控制應(yīng)用能夠訪問 XMCLIB 寄存器接口。

　　圖3：CAN/EtherCAT 嵌入式系統(tǒng)

　　另一方面，網(wǎng)絡(luò) IP 核也是兩個系統(tǒng)版本的不同之處。對于 CAN 版設(shè)計(jì)，我們選擇標(biāo)準(zhǔn)的 LogiCORETM IP XPS 控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)隨同 ISE 12.1 設(shè)計(jì)套件提供，并由博世公司許可。對于 EtherCAT 版設(shè)計(jì)，我們使用倍福公司針對賽靈思 FPGA 開發(fā)的 EtherCAT 從控制器IP核 （www.beckhoff.com）。兩種 IP 核在 XPS 工具的 IP 目錄標(biāo)簽上都有提供，使設(shè)計(jì)的集成和配置工作異常簡單明了。在本案例中，我們沒有使用簡單的驅(qū)動程序來提供對網(wǎng)絡(luò) IP 核的訪問，我們使用了Port 公司 （www.port.de） 提供的 CANopen 和 EtherCAT 協(xié)議棧解決方案。該解決方案提供了功能齊全的開箱即用型協(xié)議實(shí)施方案。

　　最終，我們設(shè)計(jì)出了一種定制嵌入式軟件應(yīng)用，可以在運(yùn)行于 MicroBlaze 處理器系統(tǒng)的 Micrium（www.micrium.com）μC/OS-II 上運(yùn)行。μC/OS-II 是一種嵌入式操作系統(tǒng)，可增強(qiáng)原型系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功能，并提供多任務(wù)、消息隊(duì)列和信號量等功能。

　　我們還意識到，應(yīng)該讓應(yīng)用的結(jié)構(gòu)能夠適用于多種不同的網(wǎng)絡(luò)接口。為此，我們設(shè)計(jì)了一個接口抽象層，可以讓我們封裝通信和軟件的電機(jī)控制組件。

　　在這個接口的一側(cè)（圖 4），我們實(shí)現(xiàn)了一個網(wǎng)絡(luò)模塊（Port 公司的 CANopen 或 EtherCAT），用以管理系統(tǒng)中可用網(wǎng)絡(luò) IP 核的通信。這些模塊可以無縫地插入我們的接口抽象層上。在這些協(xié)議棧的頂層，我們把通信和控制數(shù)據(jù)（比如 PDO、SDO 和 NMT 狀態(tài)交易）傳輸?shù)匠橄髮又校缓蟪橄髮訉?shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)譯并以諸如啟動/停止、以特定速率旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)到特定位置之類的命令提交給電機(jī)控制應(yīng)用。

　　圖4：接口抽象層

　　為了為接口抽象層確定一組通用信息和命令，我們研究了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域現(xiàn)有的專著，研讀了 IEC 61800-7 標(biāo)準(zhǔn)。對現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)，有幾種用于標(biāo)準(zhǔn)化與驅(qū)動設(shè)備通信的方案（比如 CANopen 使用的 CiA-402、Profinet 使用的 PROFIdrive）。IEC 68000-7 標(biāo)準(zhǔn)提出了驅(qū)動器的通用表達(dá)，并計(jì)劃提供這種通用表達(dá)與現(xiàn)有驅(qū)動器特性之間的一組映射。

　　IEC 68000-7 標(biāo)準(zhǔn)提出的概念為我們開發(fā)接口抽象層奠定了基礎(chǔ)，使我們能夠?qū)ο到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組件進(jìn)行封裝。我們因此可以更改系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)接口，而這只需要對軟件稍加定制修改，就可以讓其與現(xiàn)有的電機(jī)控制應(yīng)用兼容。

　　4 展望未來

　　這款智能驅(qū)動控制系統(tǒng)原型的成功交付清晰地展現(xiàn)了 FPGA 在工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線和電機(jī)控制領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?。雖然要開發(fā)出功能齊全的產(chǎn)品還有一些工作要做，但賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部已為客戶量身定制了一款目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺，并通過性能增強(qiáng)，打造出了一款能夠顯著降低最終工程產(chǎn)品的開發(fā)工作量與風(fēng)險(xiǎn)的定制解決方案。下一步賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部將考慮擴(kuò)展該目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺，以支持 Profinet IP 核和協(xié)議棧，向客戶展現(xiàn)賽靈思設(shè)計(jì)服務(wù)部采用的模塊方案和設(shè)計(jì)實(shí)踐的效果。