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。六步控制器實現一個用于BLDC電機的梯形控制器；FOC控制器提供一個FOC內核以便集成到控制系統中。

　　圖9.Simulink控制器模型

　　工廠和控制器模型在仿真階段創建，通過完整系統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 實現的多個部分，并指定時序、定點實現、采樣速率和環路時間等約束條件以確保控制器模型的行為與在硬件實現中一樣。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過全面驗證，下一步便是在硬件平臺上制作原型。針對ARM內核和可編程邏輯，Zynq SoC引導工作流程從劃分為多個子系統的Simulink模型產生C代碼和HDL。利用此工作流程，HDL轉碼器生成針對可編程邏輯的HDL，嵌入式轉碼器則生成針對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顯示了控制器實現及其與ADI智能驅動器硬件的關系。

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　　圖11. 原型系統上的控制器實現

　　一旦將位流和可執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的嵌入式系統之間的以太網鏈路執行硬件在環（HIL）測試。軸轉速等電機參數可以在Simulink中捕捉，并與仿真結果相比較，確保實際系統實現與模型相符。一旦控制算法測試完畢，便可將控制器轉移到生產系統上。

　　除了智能驅動器套件以外，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和最終生產。圖12顯示了支持智能驅動器套件的 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。可編程邏輯實現IP內核，用于與ADC、位置傳感器和電機驅動級接口。由HDL轉碼器生成的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據。高速以太網接口可以利用ARM 處理系統的硬MAC外設或可編程邏輯中的Xilinx以太網IP實現。

　　ARM Cortex A9 處理系統運行ADI 公司提供的Ubuntu Linux，其中包括：與ADI公司智能驅動器硬件接口所需的Linux IIO驅動，用于監測和控制的IIO Oscilloscope（示波器）用戶空間應用程序，支持實時數據采集和通過TCP控制系統的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 驅動均基于Linux 工業I/O （IIO）子系統，其現已包括在所有主流Linux內核中。IIO Scope是ADI公司開發的一款開源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卡所獲取的實時數據。這些數據可以在時域中、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）保存所捕獲的數據以供進一步分析。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服務器支持實時數據采集、通過TCP控制系統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據交換。IIO客戶端可以作為系統對象集成到MATLAB和Simulink原生應用程序中。一路HDMI 輸出用于在監視器上顯示Linux界面，鼠標和鍵盤可通過USB 2.0端口連接到系統。

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

　　結論

　　本文說明了采用FPGA的現代電機控制系統的要求和趨勢，以及為滿足這些約束條件和幫助實現更高效、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。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、信號調理和測量解決方案相結合，電機驅動系統的設計、驗證、測試和實現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環境。該智能驅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的人士提供一個起點，并且幫助啟動任何新的電機控制項目。

　　參考文獻

　　Hill， Tom. “借助Matlab將電機驅動遷移到Zynq SoC設計中。” Xcell 雜志，87期，2014年第二季度。

　　Dara O‘Sullivan、Jens Sorensen 和Aengus Murray “閉環電機控制中基于模型的設計工具。”PCIM Europe， 2014.

　　Corradi， Dr. Giulio. “頻率空間矢量調制—第一部分。” EDN網絡， 2012年10月4日。

　　AD-FMCMOTCON1-EBZ用戶指南。

　　Authors

　　Andrei Cozma ［andrei.cozma@analog.com］是ADI公司工程設計經理，負責支持系 統級參考設計的設計與開發。他擁有工業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、工業自動化、軟件定義無線電和電信等不同行業領域的項目設計與開發。

　　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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