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中心議題：
        *基于FPGA的電機智能驅動控制系統設計

智能驅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展的標準要求所帶來的重重挑戰。在現代工業和汽車應用中，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。在當今工廠里，電機驅動型設備占總耗電量的三分之二，因此開發能效更高的系統勢在必行。由于在許多情況下驅動器只是大規模工藝的一個組件，因此互操作性也是一項關鍵的設計要求。而影響這種要求的關鍵因素是工業網絡協議的寬度（即現場總線）和相關器件特性，因為它們用來標準化驅動器在網絡中的表達。現場總線（比如 CAN 和 Profibus）自身千差萬別，雖然都屬于現場總線，但是實際上并不具有互換性。為了降低成本和改善工業控制器之間的通信，現場總線提供商已經開發出了基于以太網的工業網絡解決方案和數種新的協議，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，迫使制造商不得不支持所有的提供商。

賽靈思設計服務部 （XDS） 已經為 ISM 領域的一家主要廠商開發出了一款基于 FPGA、支持CANopen 和 EtherCAT 接口的電機控制平臺原型來解決這些問題。賽靈思設計服務部的工作是設計并實現一個功能齊備的模塊化系統，以便在客戶的新一代智能驅動器中重用。通過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，提供先進的電機控制算法和工業網絡支持，實現了一款高效、可擴展的設計方案。

1 選擇 FPGA 的原因

客戶現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。基于Spartan-6 FPGA 的智能驅動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，在降低成本的同時還能避免過時。該平臺可以進行多年的升級，以滿足最新工業網絡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，因此可以根據客戶的特定要求對單個基礎電機控制系統進行定制，從而輕松地與現有工業網絡集成。簡言之，Spartan-6 FPGA 能夠滿足工業領域所有的嚴格要求。

賽靈思目標設計平臺提供了一套開箱即用的高健碩性、高集成度、業經測試的元件，對就像我們的客戶這樣的 FPGA 系統設計新手來說，是一個理想的起點。您可以通過向基礎平臺添加領域專用和市場專用平臺解決方案，讓最終設計在更大程度上實現自動化。這些目標參考設計演示了真實世界 FPGA 實現的構想，讓客戶集成精力進行最終產品差異化特性的設計與開發，從而縮短學習時間。

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） 提供的工業網絡 IP 核。這樣不僅目標系統所有的基礎構建塊一開始就可以到位，而且我們無需定制FPGA 開發板就可以進行原型開發，從而讓客戶以最低的成本驗證該新平臺的可行性。為了進一步加快產品上市進程，減少初次 FPGA 系統設計的風險，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。工程師在賽靈思設計服務部精選的最佳實踐方式的基礎上，更快地掌握了基于 FPGA 的設計，而管理人員則縮短了產品交付時間，并降低了業務風險。

2 智能驅動控制系統原型

賽靈思設計服務部的產品組合覆蓋了整個 FPGA 設計開發周期，從規范創建到編碼、驗證、時序收斂和系統集成。集多年嵌入式處理器系統和軟件應用設計經驗之大成，加上集成第三方 IP 核的能力、優秀的項目管理實踐和全面認證的 ISO9001 開發流程，賽靈思設計服務部能夠在客戶的產品開發周期早期交付智能驅動控制系統原型。在此基礎上開發出的定制目標設計平臺能夠讓客戶的工程師熟知 FPGA 設計流程，在新一代產品中優化該技術的功能。

該智能驅動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） 負責運行智能驅動器，實時連接至工業網絡。為實現該原型，我們使用兩個基于 PC 的 PLC 來處理該系統支持的兩個工業網絡標準：用于控制器區域網絡的 miControl mPLC 和用于 EtherCAT 工業以太網現場總線系統的 TwinCAT。PLC 負責生成預定義的命令信息（例如啟動和停止），通過分析收到的響應（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器的類型（CAN 或 EtherCAT），工業網絡或為串行總線，或為標準的100Mb 以太網接口。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 的標準 RJ45 100Base-TX 以太網連接。

電機控制 PCB 板一般是智能驅動器中眾多 PCB 板之一，專門用于根據來自 PLC 的命令對電機進行控制。該電機控制 PCB 板可以讓 FPGA 充分發揮其靈活性。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 可以用專用網絡和電機控制 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 板就可以實現多塊 ASIC 板才能實現的功能。同時，它還提供了可以根據最新標準更新 IP核的機制，實現面向未來的智能驅動器。

該電機控制板的設計無需從頭開始，賽靈思設計服務部采用目標設計平臺概念，通過把賽靈思 Spartan-6 SP605 評估套件、NetMot FMC 板和工業網絡和電機控制 IP 核結合在一起，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證原型。圖2 顯示了如何把各個組件結合在一起，實現原型開發平臺。最終，客戶的集成工作大為簡化，無需對最終設計進行重新工程設計，就能夠探求最佳的設計選擇。

　　圖2：基于 Spartan-6 FPGA 的電機控制板原型

 圖2 中文字：

SP605 基礎目標設計平臺是一種通用 FPGA 平臺，在業經驗證的設計實現中集成了一個 Spartan-6 LX45T 和許多常用外設，比如 DDR3 RAM、程序/比特流存儲用閃存、調試用 UART 以及 FPGA 編程用 JTAG。SP605 及所有最新賽靈思開發板的另一個關鍵元件是 FPGA 夾層卡 （FMC） 接插件，它可以讓設計人員使用定制的功能和接口擴展基礎開發板。

SP605 的這種特性使我們能夠使用 QDeSys NetMot FMC（www.qdesys.com）的功能來擴展這個基本平臺。QDeSys NetMot FMC 具有電機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據的模數轉換器 （ADC）。可以把電機直接與圖 2 所示的輸入/輸出端相連。NetMot FMC 還通過添加兩個 CAN 接口和兩個以太網物理層接口，擴展了 SP605 的工業網絡連接功能。它們通過 FMC 接插件和 PLC，通過標準接口訪問FPGA。

測試用 PC 機一方面用作 PLC 軟件的主機，另一方面通過 UART 和 JTAG 接口，用作 FPGA編程/調試平臺。此外，我們還在這臺測試用 PC 機上用賽靈思 ISE？12.1 設計套件為 SP605的 LX45T PFGA 開發 MicroBlazeTM 嵌入式處理器系統。該嵌入式系統負責處理來自 PLC 的命令并相應地對電機進行控制。

圖 2 所示的 MicroBlaze 軟件應用、網絡和電機控制 IP 模塊代表隨接口（EtherCAT 或 CATopne）和選擇的電機類型會發生變化的設計模塊。賽靈思設計服務部面臨的主要挑戰之一是要確保這些選項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用于諸如 Profinet 更先進的工業網絡類型以及新型電機中。

3 實現細則

讓我們來詳細查看 Spartan-6 嵌入式系統的各個組成部分。如圖 3 所示，我們使用的電機控制 IP 模塊——賽靈思電機控制庫 （XMCLIB） 在兩個設計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套件 （SDK） 上，讓 FPGA 控制 NetMot FMC 的電機電力電子系統。這樣我們就可以把 IP 核添加到 Xilinx Platform Studio （XPS） 項目的嵌入式設計中，并對其進行配置，使之適用于通過 FMC 接插件連接到 FPGA 的電機。XMCLIB 軟件驅動程序是一套底層功能，使電機控制應用能夠訪問 XMCLIB 寄存器接口。

　　圖3：CAN/EtherCAT 嵌入式系統

另一方面，網絡 IP 核也是兩個系統版本的不同之處。對于 CAN 版設計，我們選擇標準的 LogiCORETM IP XPS 控制器區域網絡，該網絡隨同 ISE 12.1 設計套件提供，并由博世公司許可。對于 EtherCAT 版設計，我們使用倍福公司針對賽靈思 FPGA 開發的 EtherCAT 從控制器IP核 （www.beckhoff.com）。兩種 IP 核在 XPS 工具的 IP 目錄標簽上都有提供，使設計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動程序來提供對網絡 IP 核的訪問，我們使用了Port 公司 （www.port.de） 提供的 CANopen 和 EtherCAT 協議棧解決方案。該解決方案提供了功能齊全的開箱即用型協議實施方案。

最終，我們設計出了一種定制嵌入式軟件應用，可以在運行于 MicroBlaze 處理器系統的 Micrium（www.micrium.com）μC/OS-II 上運行。μC/OS-II 是一種嵌入式操作系統，可增強原型系統的實時功能，并提供多任務、消息隊列和信號量等功能。

我們還意識到，應該讓應用的結構能夠適用于多種不同的網絡接口。為此，我們設計了一個接口抽象層，可以讓我們封裝通信和軟件的電機控制組件。

在這個接口的一側（圖 4），我們實現了一個網絡模塊（Port 公司的 CANopen 或 EtherCAT），用以管理系統中可用網絡 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。在這些協議棧的頂層，我們把通信和控制數據（比如 PDO、SDO 和 NMT 狀態交易）傳輸到抽象層中，然后抽象層將數據進行轉譯并以諸如啟動/停止、以特定速率旋轉或旋轉到特定位置之類的命令提交給電機控制應用。

　　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，我們研究了工業網絡領域現有的專著，研讀了 IEC 61800-7 標準。對現有的現場總線技術，有幾種用于標準化與驅動設備通信的方案（比如 CANopen 使用的 CiA-402、Profinet 使用的 PROFIdrive）。IEC 68000-7 標準提出了驅動器的通用表達，并計劃提供這種通用表達與現有驅動器特性之間的一組映射。

IEC 68000-7 標準提出的概念為我們開發接口抽象層奠定了基礎，使我們能夠對系統的網絡組件進行封裝。我們因此可以更改系統中的網絡接口，而這只需要對軟件稍加定制修改，就可以讓其與現有的電機控制應用兼容。

4 展望未來

這款智能驅動控制系統原型的成功交付清晰地展現了 FPGA 在工業以太網網絡、現場總線和電機控制領域的發展潛力。雖然要開發出功能齊全的產品還有一些工作要做，但賽靈思設計服務部已為客戶量身定制了一款目標設計平臺，并通過性能增強，打造出了一款能夠顯著降低最終工程產品的開發工作量與風險的定制解決方案。下一步賽靈思設計服務部將考慮擴展該目標設計平臺，以支持 Profinet IP 核和協議棧，向客戶展現賽靈思設計服務部采用的模塊方案和設計實踐的效果。