基于Zynq的PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計本文介紹了基于ZynqSoC的PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)使用ARM和FPGA相結(jié)合的形式實現(xiàn)了高性能、高集成度的控制算法。本系統(tǒng)中FPGA部分實現(xiàn)了計算并行度高、計算性能要求高的PMSM電流環(huán)矢量控制算法，ARM部分實現(xiàn)了可移植性強、算法種類多的速度控制算法、位置控制算法等。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具備高性能和可擴展性，能夠方便地應(yīng)用到不同的實際項目中。在機器人、機械臂和數(shù)控機床等工業(yè)控制系統(tǒng)中，永磁同步電機（PMSM）的驅(qū)動控制一直是此類控制系統(tǒng)的核心。而隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及PMSM應(yīng)用的越來越廣泛，PMSM的驅(qū)動控制系統(tǒng)對性能和精度的需求也越來越高。為了滿足高性能、高精度等需求，有學(xué)者采用高性能的DSP作為軟硬件解決方案,也有學(xué)者使用ARM微控制器作為系統(tǒng)解決方案，例如使用STM32實現(xiàn)的控制系統(tǒng)[3]。由于PMSM控制算法愈加復(fù)雜化、控制算法對控制器性能的要求不斷提高，國外學(xué)者提出了使用FPGA作為PMSM的驅(qū)動控制系統(tǒng)解決方案[4]，且效果顯著。本文使用的控制核心板即為搭載有Zynq7000系列芯片XC7Z020CLG484的ZedBoard開發(fā)板。使用這類產(chǎn)品可以在充分發(fā)揮FPGA并行計算優(yōu)勢的前提下，利用ARM進行快捷的操作系統(tǒng)移植[7]以及人機交互等軟件開發(fā)。本文的開發(fā)方案是在ARM和FPGA上分別實現(xiàn)不同的控制算法模塊，該方案在結(jié)合ARM和FPGA各自優(yōu)勢的同時，提高了系統(tǒng)的控制性能和可移植性。點擊查看更多精彩內(nèi)容.1控制系統(tǒng)介紹常見的PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)可以分為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)3個層次的控制模塊，以及機電傳感器信號處理接口、數(shù)據(jù)監(jiān)測、人機交互等。電流環(huán)控制方案較多采用的是矢量控制算法，該算法通過檢測PMSM的相電流值，以坐標變換的方式將定子電流分解成勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，以實現(xiàn)各自的閉環(huán)控制［8］。而速度環(huán)、位置環(huán)控制器常用的是PID控制器。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照功能類型可以將系統(tǒng)組件劃分為機電接口組件、矢量控制算法組件和控制層組件下幾個部分。圖1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.1機電接口組件機電接口組件主要是實現(xiàn)機械、電路等模塊的信號接收、發(fā)送和信號處理等功能。該組件的信號輸入捕捉模塊為隨后的算法層提供帶有指定格式的數(shù)據(jù)，信號輸出模塊為機電執(zhí)行電路提供標準的可控信號波形。具體來說，該組件由以下幾個模塊構(gòu)成：①編碼器正交解碼模塊。該模塊實現(xiàn)對編碼器信號的處理，通過捕捉編碼器的輸出波形，計算出電動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置等數(shù)據(jù)。②ADC接口模塊。該模塊實現(xiàn)的是A/D轉(zhuǎn)換器的傳輸協(xié)議，本系統(tǒng)是使用帶有SPI接口的A/D轉(zhuǎn)換器，故而該模塊實現(xiàn)SPI通信協(xié)議。③PWM發(fā)生器。該模塊完成脈寬可調(diào)制波形（PWM）的生成，該模塊產(chǎn)生用于驅(qū)動本文所設(shè)計逆變器的6路PWM信號。1.2矢量控制算法組件矢量控制算法組件完成PMSM的電流環(huán)相關(guān)算法。該組件包括以下幾個模塊：①Sin&Cos模塊。該模塊完成轉(zhuǎn)子的電角度值到正弦、余弦值的計算。②空間坐標轉(zhuǎn)換模塊。該模塊把該系統(tǒng)的控制目標PMSM等效成一臺控制算法和更簡單的直流電動機，主要包含了三相兩相坐標變換和同步旋轉(zhuǎn)變換等模塊，實現(xiàn)了定子三相電流解耦成轉(zhuǎn)矩電流iq和勵磁電流id的計算過程。③SVPWM模塊。該模塊實現(xiàn)空間矢量PWM信號的產(chǎn)生等功能。1.3控制層組件控制層組件實現(xiàn)PMSM的三環(huán)控制，主要包括以下幾個模塊：①電流環(huán)轉(zhuǎn)矩電流iq和勵磁電流id的控制器模塊;②速度環(huán)、位置環(huán)控制器，以及轉(zhuǎn)子速度、位置計算等模塊;③輔助控制以及測試相關(guān)的模塊，主要實現(xiàn)人機交互、調(diào)試數(shù)據(jù)獲取等功能。2系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計該嵌入式驅(qū)動控制系統(tǒng)的硬件平臺由四塊印制電路板（PCB）構(gòu)成，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。PCB板由ZedBoard開發(fā)板、FMC接口板、信號處理板以及驅(qū)動板組成。圖2系統(tǒng)電路板組成3系統(tǒng)軟件設(shè)計根據(jù)驅(qū)動控制系統(tǒng)原理框圖，可將系統(tǒng)的軟件算法模塊根據(jù)算法并行性、性能需求和可移植性需求劃分到ARM或者FPGA上實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)利用FPGA實現(xiàn)矢量控制電流環(huán)以提高算法并行性和計算頻率；使用ARM實現(xiàn)速度環(huán)、位置環(huán)和人機交互等算法，以保證軟件開發(fā)的便捷性和算法的可移植性。而系統(tǒng)中ARM和FPGA的通信使用Zynq片上高性能總線（AXIHP）以及中斷信號實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件組成框圖略——編者注。3.1ARM與FPGA通信設(shè)計ARM與FPGA的核間通信問題是Zynq應(yīng)用開發(fā)的重中之重，其核間通信總線AXIHP可采用存儲器直接訪問（DMA）的形式進行數(shù)據(jù)傳輸，總線最高位寬為64位，理論通信帶寬最高可達1200MB/s。采用的通信方案為中斷信號和AXIHP總線協(xié)同工作的方式，中斷信號實現(xiàn)ARM和FPGA控制周期的協(xié)同，AXIHP總線為ARM和FPGA提供高帶寬的通信速率。系統(tǒng)采用AXIHP總線以DMA的形式直接讀寫ARM數(shù)據(jù)空間的方案，所以在控制算法周期內(nèi)ARM無需管理通信時序。該系統(tǒng)的核間通信時序圖如圖3所示。圖中數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生在FPGA和ARM的算法軟件把數(shù)據(jù)處理完成之后，此處的數(shù)據(jù)處理包括如下兩個方面：圖3ARM和FPGA通信時序圖①FPGA端數(shù)據(jù)處理包括對編碼器、A/D轉(zhuǎn)換器等傳感器信號的獲取和處理，以及上一周期的電流環(huán)控制算法運算過程中的重要變量數(shù)據(jù)收集和處理等工作。②ARM端數(shù)據(jù)處理包括速度環(huán)輸出的電流給定指令的保存、上一周期的電流環(huán)反饋數(shù)據(jù)處理，以及人機交互指令數(shù)據(jù)解析等操作。圖3中描述的通信信號簇的數(shù)據(jù)傳輸主要是完成FPGA數(shù)據(jù)寫到ARM可訪問的內(nèi)存空間、FPGA讀取ARM指定內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)兩個方面的操作。圖3中涉及的中斷信號是由FPGA上的算法模塊發(fā)起，主要功能是同步FPGA和ARM的運行時序。經(jīng)過上述AXIHP總線的數(shù)據(jù)傳輸和中斷信號兩個操作，可實現(xiàn)ARM和FPGA的數(shù)據(jù)交互功能，其總線頻率為90MHz，測試其數(shù)據(jù)傳輸帶寬為284MB/s。3.2FPGA部分代碼設(shè)計該系統(tǒng)使用控制器XC7Z020芯片上嵌入的FPGA（Xilinx公司的Artix7系列），其資源總量約為1.3M邏輯門。在本系統(tǒng)中電流環(huán)控制頻率為16kHz，其實現(xiàn)的算法框圖如圖4所示。圖4FPGA實現(xiàn)軟件系統(tǒng)框圖在FPGA上實現(xiàn)的軟件包括算法和接口兩個部分，其中算法部分數(shù)據(jù)格式為16位的Q15定點數(shù)，該部分代碼通過Xilinx工具ISE14.7完成代碼的功能仿真和驗證，各個模塊占用FPGA總資源量如表1所列。該算法代碼運行時鐘頻率為90MHz，算法計算耗時為5.7μs，可見其運算耗時充分滿足本系統(tǒng)使用的16kHz電流環(huán)控制頻率的要求。表1FPGA算法資源占用量3.3ARM部分代碼設(shè)計運行于本系統(tǒng)雙核ARMCortexA9上的軟件程序主要包括控制組件和輔助組件兩大部分?？刂平M件運行于中斷服務(wù)程序中，以滿足算法對控制周期的時序要求；輔助組件運行于背景循環(huán)程序中，實現(xiàn)人機交互接口管理、系統(tǒng)監(jiān)測等功能。系統(tǒng)軟件的中斷服務(wù)程序運算流程如圖5所示，該中斷服務(wù)程序的中斷信號由FPGA的矢量控制算法模塊發(fā)出。圖5運行于ARM的軟件流程圖中的數(shù)據(jù)處理流程包括以下幾個部分：①人機交互數(shù)據(jù)處理。實現(xiàn)用戶命令解析，系統(tǒng)運行指令給定等功能。該系統(tǒng)的主要運行模式包括速度模式和位置模式兩種，運行指令包括給定電機轉(zhuǎn)動位置、轉(zhuǎn)動速度等。②電流環(huán)反饋數(shù)據(jù)解析和處理。該環(huán)節(jié)實現(xiàn)對運行于FPGA上的算法進行監(jiān)控，并對電機運行數(shù)據(jù)進行封裝，以便人機交互組件進行數(shù)據(jù)發(fā)送等操作。③電流環(huán)指令給定數(shù)據(jù)的保存。該環(huán)節(jié)主要是處理上一周期的速度控制器輸出數(shù)據(jù)，保證該數(shù)據(jù)能準確傳輸?shù)紽PGA。完成數(shù)據(jù)處理之后，軟件運行到核心控制器環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)采用的位置環(huán)控制器為比例控制器，速度環(huán)控制器為積分抗飽和的PI控制器。經(jīng)過參數(shù)整定，該軟件算法能夠滿足系統(tǒng)控制精度等要求。4實驗分析本系統(tǒng)使用Xilinx開發(fā)工具套件ISE14.7、Vivado2014.2以及SDK實現(xiàn)代碼開發(fā)和工程管理工作。其中，ISE14.7用來完成FPGA代碼開發(fā)、算法功能仿真驗證等工作，Vivado2014.2用來進行工程管理和ZynqARM端的啟動文件配置等工作，SDK用來進行ARM端應(yīng)用程序開發(fā)工作。本系統(tǒng)的實驗平臺包含了以下幾個部分：①帶有2500線編碼器的PMSM電機，電機參數(shù)如表2所列。②電機驅(qū)動板、信號處理板、FMC接口板，用于供給驅(qū)動板直流母線電壓的線性電源等。③搭載有XC7Z020CLG484芯片的ZedBoard開發(fā)板。給定PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)2400r/min的速度階躍值時電機的速度和電流響應(yīng)情況圖略——編者注。該系統(tǒng)速度響應(yīng)無超調(diào)、無靜差、電流響應(yīng)迅速，可見該PMSM控制系統(tǒng)具有良好的控制性能和控制精度。表2實驗平臺PMSM參數(shù)結(jié)語介紹了一個基于Zynq的PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)，并介紹了異構(gòu)多核控制系統(tǒng)的片上總線通信方案的設(shè)計。該系統(tǒng)充分結(jié)合了ARM和FPGA在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)中的優(yōu)勢，在ARM上實現(xiàn)人機交互以及可移植性強的算法，在FPGA上實現(xiàn)并行度高、性能要求高的算法。通過實驗驗證了使用Zynq實現(xiàn)PMSM控制系統(tǒng)的可行性以及便捷性，說明該方案不僅可以提高系統(tǒng)控制性能、提高控制精度和帶寬，而且能夠在完成高性能控制器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)復(fù)雜算法的驗證、人性化的人機交互等功能，系統(tǒng)的控制性能和可擴展性都得到了大幅增強。編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站。參考文獻［1］陳應(yīng)豪?；贒SP的PMSM矢量控制在電梯控制中的應(yīng)用［J］。微處理機，2010（3）：105107.［2］李長紅。PMSM調(diào)速系統(tǒng)中最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法的研究［J］。中國電機工程學(xué)報，2005，25（21）：169174.［3］張巍?；贏RM的PMSM控制系統(tǒng)設(shè)計［J］。微計算機信息：嵌入式與SOC，2010，26（112）：7071.［4］MohamedWissemNaouar.FPGABasedPredictiveCurrentControllerforSynchronousMachineSpeedDrive［J］。IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS，2008，23（4）：21152126.［5］李虎修?；贔PGA+ARM的永磁同步電動機高精度轉(zhuǎn)速檢測［J］。組合機床與自動化加工技術(shù)，2012（11）：5356.［6］Xilinx.Zynq7000AllProgramma