原创 兼具性能与灵活性的SoC FPGA

《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载要求虽然电机控制应用是机械式，但驱动电路必须更新的速率，以及电流、位置与速度传感器的读数都可能相当大。一个合理的场景是：某个工作在最高12,000RPM(或200RPS)转速下的电机。如果我们估测一下，则需要最少80个采样才能生成一个形态完好的正弦电流波形，于是，所需采样速率就等于：电机速度(RPS)×80×电机极性对的数量。电机极性对的数量就是定子上电磁绕组的数量。对于一个八个绕组(或极性对)的12,000RPM电机，这相当于128,000次/s的采样速率，处理延迟为7.8μs。不同应用各有差异，但一般系统必须设计成能够在5μs或更短时间内响应并处理所有中断，并更新电机驱动器。这个处理过程就是：采样反馈电机电流、位置与速度，并用FOC以200,000次/s的速率、5μs的处理延迟，计算出更新的电机电流驱动值。对于基于处理器的系统，这意味着200kHz的中断速率，对采用缓存、操作系统，以及非矢量中断控制器的通用处理器会是一个巨大的挑战。 处理系统 采用一个SoCFPGA系统可以做到一种更优化且灵活的实现。SoC包括了两800MHzARMCortex-A9微处理器系统。 ARMA9处理器是一种更通用的高性能处理器，但它并未针对要求确定响应时间的实时应用做过优化。不过利用SoCFPGA中集成的可编程逻辑，可以消减实时性能的局限性。可编程逻辑可以用于PWM驱动电路、任何ADC与DAC的多功能接口、位置与速度传感器接口、安全关断电路、专有网络或MAC硬件接口等等。它还可以实现FOC以及较低延迟的控制回路，较仅有处理器的系统响应时间快得多。它的典型系统响应时间不到2μs，这要比大多数仅用处理器的系统快一个数量级。 FOC硬件 像Altera公司DSPBuilder这样的设计工具可以用于对一个设计做Simulink表述，并直接实现为FPGA逻辑。DSPBuilder还能生成浮点逻辑，如仿真一样，提供较定点实现更大的动态范围和数值稳定性。表1给出了实现最小SoCFPGA所使用的资源。所有与FOC块的接口均是由Altera的DSPBuilder与Qsys工具映射到ARM处理器系统中的存储器。这样就可以用软件控制所需要的转矩输出，用PI回路增益控制转矩与磁通，监控运行，以及完成其它功能。

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《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 控制回路硬件 位置与速度的控制回路也可以用逻辑来实现，类似于FOC功能中使用的PI控制。不同PID电路的增益级可以用内存映射的寄存器更新到ARM处理器中。如有必要，这能够以换向功能相同的速率提供极低的延迟和快速响应。很容易实现低于5μs的控制与FOC总响应时间，可以为极快反应系统提供更高的稳定性。如FOC一样，这些控制回路也可以从Simulink模型用硬件实现，用DSPBuilder在FPGA逻辑中提供浮点硬件。另外一个考虑是，增加少量逻辑和处理延迟，就可以为FOC硬件增加电机的多轴控制。四轴电机控制器可能要较单轴实现多用20%的逻辑，而延迟增加并不多。在基于软件的实现中，延迟基本会呈线性增加。 控制回路的软件 电机控制回路实现最常见的是在软件中用C代码。由于FOC将控制回路与电机换向隔离开来，因此电机控制的中断速率与延迟就取决于系统的响应，通常这要比PWM换向电路慢得多。为获得预期性能与稳定性而确定出最小更新速率，就需要做仿真和分析，不过，一般10kHz的更新速率就足够了。在本例中，FOC的转矩设置就是根据当前位置与速度信息的反馈与计算，以这个较低的速率(每100μs)更新。这个SoC方案可以将硬件用于FOC“内部回路“，而ARM A9用于电机控制的“外部回路”。内部回路可以在FPGA中保证硬件有低于2μs的延迟。ARM可以在大多数情况下实现非常合理的处理延迟，最适合用于外部回路处理，此时对中断延迟要求要宽松得多，丢失一个中断也不致引起灾难性后果。 ARM A9中断延迟 以下内容是基于Altera SoC工程团队对低价SoC FPGA中所包含ARM处理器实时系统性能的一个分析，尤其是中断延迟。中断响应时间可能会随系统配置、操作系统、缓存结构，以及处理任务负载而变化。

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《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 该团队考虑了以下场景 场景1：在单核心上的高度约束系统，它建立了一个可以实现的最小延迟基准(为了测量可实现的最高性能，场景1没有使用OS，测试采用裸机驱动器)。场景2：与场景1类似，但测试实现采用了一个RTOS(μC/OS-II)，做了一些迭代重复测量(1024次)，目标是获得中断延迟的一个统计学模型。场景3：与场景2类似，有多个后台任务运行在RTOS上，做中断延迟测量(这种后台任务是以一个无限循环向UART端口写入数据，另外，另一个后台任务则是以一个无限循环在外存储器中做memcpy，这样会产生需要长时间才能完成的AXI读/写)。场景4：模拟一个较大的系统，此时不能将所有代码都装入到L1缓存中。(这种情况下，关键代码被置于L2缓存中。由于缓存似乎足够大，能装下全部后台处理代码，因此每次中断后，都触发对L1缓存的刷新。此时的目标是：对于一个缓存更新在系统性能中占重要角色的实际环境，当使用一个有实时操作系统的SoCFPGA时，测量可以获得的中断延迟)。缓存(L1和L2)对中断延迟的影响最大(表2)。在场景4情况下，指令代码锁存在L2内，延迟就明显小于从外存运行的相同系统。L1使能情况下，延迟仍然较低。不过，场景3和场景4情况下的延迟会差得多，原因是后台任务会使ISR代码被另外的后台任务所替换。中断响应延迟需要加到FOC的处理时间内(表3)。基本FOC算法被作为基准，包括三角函数、Clarke/Park变换、PID控制器，以及反向Park/Clarke变换。

由于ARMA9处理器的性能，基于软件的FOC控制器已表现出能够满足5μs的要求。不过，裕度几乎没有，中断响应时间通常是系统中最不确定的部分。虽然给出的结果是这些测试条件下最长的延迟，但偶尔也会出现更长的时间，原因来自于处理任务负载的统计学特性。但是，在中断以10kHz~20kHz(即50μs~100μs)速率发生的情况下，ARM Cortex-A9可以有极高的裕度来满足实时要求，而未及时服务中断的概率极低。由于将ARM中断与更高速的FOC换向要求隔离开来，因此在各种工作条件和处理负载下，都能确保实时性能。 SoC FPGA用于像电机控制这类实时应用，不仅有集成度的好处，而且能够根据需要调整性能。这种方案可用硬件实现高速率、确定性的功能(内部回路)，而软件完成较低速率、更高动态和复杂的处理(外部回路)，从而使系统设计者同时获得两方面的最佳性能。

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