基于FPGA的智能驱动控制系统设计

智能驱动器以及许多汽车和 ISM 厂商正面临着满足新的市场需求和不断发展的标准要求所带来的重重挑战。在现代工业和汽车应用中，电机必须具有高效、低噪声、速度范围宽、可靠性高、成本合理等特性。在当今工厂里，电机驱动型设备占总耗电量的三分之二，因此开发能效更高的系统势在必行。由于在许多情况下驱动器只是大规模工艺的一个组件，因此互操作性也是一项关键的设计要求。而影响这种要求的关键因素是工业网络协议的宽度（即现场总线）和相关器件特性，因为它们用来标准化驱动器在网络中的表达。现场总线（比如 CAN 和 Profibus）自身千差万别，虽然都属于现场总线，但是实际上并不具有互换性。为了降低成本和改善工业控制器之间的通信，现场总线提供商已经开发出了基于以太网的工业网络解决方案和数种新的协议，比如 EtherCAT 和 Profinet 等。除此之外，EtherNET I/P 也在近年来开始大行其道。不过，这些都是自成体系的技术，迫使制造商不得不支持所有的提供商。

赛灵思设计服务部 （XDS） 已经为 ISM 领域的一家主要厂商开发出了一款基于 FPGA、支持CANopen 和 EtherCAT 接口的电机控制平台原型来解决这些问题。赛灵思设计服务部的工作是设计并实现一个功能齐备的模块化系统，以便在客户的新一代智能驱动器中重用。通过在模块化系统架构中集成赛灵思 Spartan-6 FPGA SP605 评估套件基础目标设计平台以及第三方 IP 核，提供先进的电机控制算法和工业网络支持，实现了一款高效、可扩展的设计方案。

1 选择 FPGA 的原因

客户现有的基于微控制器的解决方案不能提供客户最迫切需要的：一种可扩展平台。基于Spartan-6 FPGA 的智能驱动控制系统在单芯片上集成了所有必要的可扩展性、逻辑和计算功能，在降低成本的同时还能避免过时。该平台可以进行多年的升级，以满足最新工业网络标准的要求并使用最高效的电机控制算法。此外，由于 FPGA 的可重编程特性，因此可以根据客户的特定要求对单个基础电机控制系统进行定制，从而轻松地与现有工业网络集成。简言之，Spartan-6 FPGA 能够满足工业领域所有的严格要求。

赛灵思目标设计平台提供了一套开箱即用的高健硕性、高集成度、业经测试的元件，对就像我们的客户这样的 FPGA 系统设计新手来说，是一个理想的起点。您可以通过向基础平台添加领域专用和市场专用平台解决方案，让最终设计在更大程度上实现自动化。这些目标参考设计演示了真实世界 FPGA 实现的构想，让客户集成精力进行最终产品差异化特性的设计与开发，从而缩短学习时间。

我们的解决方案完美组合了 Spartan-6 SP605评估套件和第三方解决方案，其中包括 QdeSys 公司提供的 NetMot FMC 板，以及德国博世公司 （Bosch） 和倍福公司 （Beckhoff） 提供的工业网络 IP 核。这样不仅目标系统所有的基础构建块一开始就可以到位，而且我们无需定制FPGA 开发板就可以进行原型开发，从而让客户以最低的成本验证该新平台的可行性。为了进一步加快产品上市进程，减少初次 FPGA 系统设计的风险，客户要求我们不仅要交付原型，还要为在其新一代智能驱动器中使用 FPGA 提供支持。

最终，客户的工程师和管理人员都从该方案受益匪浅。工程师在赛灵思设计服务部精选的最佳实践方式的基础上，更快地掌握了基于 FPGA 的设计，而管理人员则缩短了产品交付时间，并降低了业务风险。

2 智能驱动控制系统原型

赛灵思设计服务部的产品组合覆盖了整个 FPGA 设计开发周期，从规范创建到编码、验证、时序收敛和系统集成。集多年嵌入式处理器系统和软件应用设计经验之大成，加上集成第三方 IP 核的能力、优秀的项目管理实践和全面认证的 ISO9001 开发流程，赛灵思设计服务部能够在客户的产品开发周期早期交付智能驱动控制系统原型。在此基础上开发出的定制目标设计平台能够让客户的工程师熟知 FPGA 设计流程，在新一代产品中优化该技术的功能。

该智能驱动控制系统原型的主要组件的详细情况，请参看图 1。

可编程逻辑控制器 （PLC） 负责运行智能驱动器，实时连接至工业网络。为实现该原型，我们使用两个基于 PC 的 PLC 来处理该系统支持的两个工业网络标准：用于控制器区域网络的 miCONtrol mPLC 和用于 EtherCAT 工业以太网现场总线系统的 TwinCAT。PLC 负责生成预定义的命令信息（例如启动和停止），通过分析收到的响应（当前速度、温度、电压等）验证电机的运行是否正常。

根据 PLC 的组合以及智能驱动器的类型（CAN 或 EtherCAT），工业网络或为串行总线，或为标准的100Mb 以太网接口。对这两种解决方案，该原型在 PLC 和电机之间均使用直接连接，或为用于 CAN 的双线串行接口，或为用于 EtherCAT 的标准 RJ45 100Base-TX 以太网连接。

电机控制 PCB 板一般是智能驱动器中众多 PCB 板之一，专门用于根据来自 PLC 的命令对电机进行控制。该电机控制 PCB 板可以让 FPGA 充分发挥其灵活性。与常规 ASIC/微处理器方案中采用的单接口、单电机控制算法解决方案不同，Spartan-6 FPGA 可以用专用网络和电机控制 IP 模块和控制软件重新编程，以满足客户的特定需要。采用这种方式，一块 FPGA PCB 板就可以实现多块 ASIC 板才能实现的功能。同时，它还提供了可以根据最新标准更新 IP核的机制，实现面向未来的智能驱动器。

该电机控制板的设计无需从头开始，赛灵思设计服务部采用目标设计平台概念，通过把赛灵思 Spartan-6 SP605 评估套件、NetMot FMC 板和工业网络和电机控制 IP 核结合在一起，集成了客户想要的所有元件，这样在客户完成新 PCB 板之前就交付了这款概念验证原型。图2 显示了如何把各个组件结合在一起，实现原型开发平台。最终，客户的集成工作大为简化，无需对最终设计进行重新工程设计，就能够探求最佳的设计选择。