智能驱动器以及许多轿车和ISM厂商正面对着满意新的商场需求和不断发展的规范要求所带来的重重应战。在现代工业和轿车运用中，电机有必要具有高效、低噪声、速度规模宽、可靠性高、本钱合理等特性。在当今工厂里，电机驱动型设备占总耗电量的三分之二，因而开发能效更高的体系势在必行。因为在许多情况下驱动器仅仅大规模工艺的一个组件，因而互操作性也是一项要害的规划要求。而影响这种要求的要害因素是工业网络协议的宽度（即现场总线）和相关器材特性，因为它们用来规范化驱动器在网络中的表达。现场总线（比方CAN和 Profibus）本身千差万别，尽管都归于现场总线，可是实际上并不具有互换性。为了下降本钱和改进工业操控器之间的通讯，现场总线供给商现已开宣布了依据以太网的工业网络处理计划和数种新的协议，比方EtherCAT和Profinet等。除此之外，EtherNET I/P也在近年来开端大行其道。不过，这些都是自成体系的技能，迫使制造商不得不支撑一切的供给商。
赛灵思规划服务部(XDS)现已为ISM范畴的一家首要厂商开宣布了一款依据FPGA、支撑CANopen和EtherCAT接口的电机操控渠道原型来处理这些问题。赛灵思规划服务部的作业是规划并完结一个功用完备的模块化体系，以便在客户的新一代智能驱动器中重用。经过在模块化体系架构中集成赛灵思Spartan-6 FPGA SP605评价套件根底方针规划渠道以及第三方IP核，供给先进的电机操控算法和工业网络支撑，完结了一款高效、可扩展的规划计划。
挑选FPGA的原因
客户现有的依据微操控器的处理计划不能供给客户最迫切需求的：一种可扩展渠道。依据Spartan-6 FPGA的智能驱动操控体系在单芯片上集成了一切必要的可扩展性、逻辑和核算功用，在下降本钱的一起还能防止过期。该渠道可以进行多年的晋级，以满意最新工业网络规范的要求并运用最高效的电机操控算法。此外，因为FPGA的可重编程特性，因而可以依据客户的特定要求对单个根底电机操控体系进行定制，然后轻松地与现有工业网络集成。简言之，Spartan-6 FPGA可以满意工业范畴一切的严格要求。
赛灵思方针规划渠道供给了一套开箱即用的高健硕性、高集成度、业经测验的元件，对就像咱们的客户这样的FPGA体系规划新手来说，是一个抱负的起点。您可以经过向根底渠道增加范畴专用和商场专用渠道处理计划，让终究规划在更大程度上完结自动化。这些方针参阅规划演示了实在国际FPGA完结的设想，让客户集成精力进行终究产品差异化特性的规划与开发，然后缩短学习时刻。
咱们的处理计划完美组合了Spartan-6 SP605评价套件和第三方处理计划，其间包含QdeSys公司供给的NetMot FMC板，以及德国博世公司 (Bosch)和倍福公司(Beckhoff)供给的工业网络IP核。这样不只方针体系一切的根底构建块一开端就可以到位，并且咱们无需定制FPGA开发板就可以进行原型开发，然后让客户以最低的本钱验证该新渠道的可行性。为了进一步加速产品上市进程，削减初度FPGA体系规划的危险，客户要求咱们不只要交给原型，还要为在其新一代智能驱动器中运用FPGA供给支撑。
终究，客户的工程师和办理人员都从该计划收获颇丰。工程师在赛灵思规划服务部精选的最佳实践办法的根底上，更快地把握了依据FPGA的规划，而办理人员则缩短了产品交给时刻，并下降了事务危险。
智能驱动操控体系原型
赛灵思规划服务部的产品组合覆盖了整个FPGA规划开发周期，从规范创立到编码、验证、时序收敛和体系集成。集多年嵌入式处理器体系和软件运用规划经历之大成，加上集成第三方IP核的才干、优异的项目办理实践和全面认证的ISO9001开发流程，赛灵思规划服务部可以在客户的产品开发周期前期交给智能驱动操控体系原型。在此根底上开宣布的定制方针规划渠道可以让客户的工程师熟知FPGA规划流程，在新一代产品中优化该技能的功用。
该智能驱动操控体系原型的首要组件的具体情况，请参看图1。
可编程逻辑操控器(PLC)担任运转智能驱动器，实时衔接至工业网络。为完结该原型，咱们运用两个依据PC的PLC来处理该体系支撑的两个工业网络规范：用于操控器区域网络的 miControl mPLC和用于EtherCAT工业以太网现场总线体系的 TwinCAT。PLC担任生成预界说的指令信息（例如发动和中止），经过剖析收到的呼应（当时速度、温度、电压等）验证电机的运转是否正常。
依据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，或为规范的100Mb以太网接口。对这两种处理计划，该原型在PLC和电机之间均运用直接衔接，或为用于CAN的双线串行接口，或为用于EtherCAT的规范RJ45 100Base-TX以太网衔接。
电机操控PCB板一般是智能驱动器中很多PCB板之一，专门用于依据来自PLC的指令对电机进行操控。该电机操控PCB板可以让FPGA充分发挥其灵活性。与惯例ASIC/微处理器计划中选用的单接口、单电机操控算法处理计划不同，Spartan-6 FPGA可以用专用网络和电机操控IP模块和操控软件从头编程，以满意客户的特定需求。选用这种办法，一块FPGA PCB板就可以完结多块AS%&&&&&%板才干完结的功用。一起，它还供给了可以依据最新规范更新IP核的机制，完结面向未来的智能驱动器。
该电机操控板的规划无需从头开端，赛灵思规划服务部选用方针规划渠道概念，经过把赛灵思Spartan-6 SP605评价套件、NetMot FMC板和工业网络和电机操控IP核结合在一起，集成了客户想要的一切元件，这样在客户完结新PCB板之前就交给了这款概念验证原型。图2显现了怎么把各个组件结合在一起，完结原型开发渠道。终究，客户的集成作业大为简化，无需对终究规划进行从头工程规划，就可以根究最佳的规划挑选。
图2：依据Spartan-6 FPGA的电机操控板原型
图2中文字：
SP605根底方针规划渠道是一种通用FPGA渠道，在业经历证的规划完结中集成了一个Spartan-6 LX45T和许多常用外设，比方DDR3 RAM、程序/比特流存储用闪存、调试用UART以及 FPGA编程用JTAG。SP605及一切最新赛灵思开发板的另一个要害元件是FPGA夹层卡(FMC)接插件，它可以让规划人员运用定制的功用和接口扩展根底开发板。
SP605的这种特性使咱们可以运用 QDeSys NetMot FMC（www.qdesys.com）的功用来扩展这个根本渠道。QDeSys NetMot FMC具有电机操控所需求的电力电子元件，比方电压逆变器，以及用于收集传感器数据的模数转换器(ADC)。可以把电机直接与图2所示的输入/输出端相连。NetMot FMC还经过增加两个CAN接口和两个以太网物理层接口，扩展了SP605的工业网络衔接功用。它们经过FMC接插件和PLC，经过规范接口拜访FPGA。
测验用PC机一方面用作PLC软件的主机，另一方面经过UART和JTAG接口，用作FPGA编程/调试渠道。此外，咱们还在这台测验用PC机上用赛灵思ISE12.1规划套件为SP605的LX45T PFGA开发MicroBlaze嵌入式处理器体系。该嵌入式体系担任处理来自PLC的指令并相应地对电机进行操控。
图2所示的MicroBlaze软件运用、网络和电机操控IP模块代表随接口（EtherCAT 或 CATopne）和挑选的电机类型会发生变化的规划模块。赛灵思规划服务部面对的首要应战之一是要确保这些选项之间的切换尽量简化，然后确保客户可以在将来把相同的办法重复用于比方Profinet更先进的工业网络类型以及新式电机中。
完结细则
让咱们来具体检查Spartan-6嵌入式体系的各个组成部分。如图3所示，咱们运用的电机操控IP模块——赛灵思电机操控库(XMCLIB)在两个规划版别中是完全相同的。这个定制IP核可以直接插在赛灵思嵌入式开发套件(SDK)上，让FPGA操控NetMot FMC的电机电力电子体系。这样咱们就可以把IP核增加到Xilinx Platform Studio (XPS)项目的嵌入式规划中，并对其进行装备，使之适用于经过FMC接插件衔接到FPGA的电机。XMCLIB软件驱动程序是一套底层功用，使电机操控运用可以拜访XMCLIB寄存器接口。
图 3：CAN/EtherCAT嵌入式体系
图3中文字：
另一方面，网络IP核也是两个体系版别的不同之处。关于CAN版规划，咱们挑选规范的 LogiCORETM IP XPS操控器区域网络，该网络伴随ISE 12.1规划套件供给，并由博世公司答应。关于EtherCAT版规划，咱们运用倍福公司针对赛灵思FPGA开发的EtherCAT从操控器IP核 。两种IP核在XPS东西的IP目录标签上都有供给，使规划的集成和装备作业反常简略明了。在本事例中，咱们没有运用简略的驱动程序来供给对网络IP核的拜访，咱们运用了Port公司供给的CANopen和EtherCAT协议栈处理计划。该处理计划供给了功用完全的开箱即用型协议实施计划。
终究，咱们规划出了一种定制嵌入式软件运用，可以在运转于MicroBlaze处理器体系的 Micrium（www.micrium.com）μC/OS-II上运转。μC/OS-II是一种嵌入式操作体系，可增强原型体系的实时功用，并供给多任务、音讯行列和信号量等功用。
咱们还意识到，应该让运用的结构可以适用于多种不同的网络接口。为此，咱们规划了一个接口笼统层，可以让咱们封装通讯和软件的电机操控组件。
在这个接口的一侧（图 4），咱们完结了一个网络模块（Port公司的CANopen或EtherCAT），用以办理体系中可用网络IP核的通讯。这些模块可以无缝地刺进咱们的接口笼统层上。在这些协议栈的顶层，咱们把通讯和操控数据（比方 PDO、SDO和NMT状况买卖）传输到笼统层中，然后笼统层将数据进行转译并以比方发动/中止、以特定速率旋转或旋转到特定方位之类的指令提交给电机操控运用。
为了为接口笼统层确认一组通用信息和指令，咱们研讨了工业网络范畴现有的专著，研读了IEC 61800-7规范。对现有的现场总线技能，有几种用于规范化与驱动设备通讯的计划（比方 CANopen 运用的 CiA-402、Profinet 运用的 PROFIdrive）。IEC 68000-7规范提出了驱动器的通用表达，并计划供给这种通用表达与现有驱动器特性之间的一组映射。
IEC 68000-7规范提出的概念为咱们开发接口笼统层奠定了根底，使咱们可以对体系的网络组件进行封装。咱们因而可以更改体系中的网络接口，而这只需求对软件稍加定制修正，就可以让其与现有的电机操控运用兼容。
展望未来
这款智能驱动操控体系原型的成功交给明晰地展示了FPGA在工业以太网网络、现场总线和电机操控范畴的发展潜力。尽管要开宣布功用完全的产品还有一些作业要做，但赛灵思规划服务部已为客户量身定制了一款方针规划渠道，并经过功能增强，打造出了一款可以明显下降终究工程产品的开发作业量与危险的定制处理计划。下一步赛灵思规划服务部将考虑扩展该方针规划渠道，以支撑Profinet IP核和协议栈，向客户展示赛灵思规划服务部选用的模块计划和规划实践的作用。
