第1章 电机数字控制系统集成设计综述
1前言
基于现代EDA(Electronic Design Automation)技术和MCU（Micro Controller Unit）、DSP(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gate Array)器件，运用现代电机控制理论，进行电机控制器的集成化研究将是电机控制领域的一个重要发展方向，开发具有自主知识产权的电机控制IP(Intellectual Property)芯核，实现SOC（System on a Chip）高性能交流伺服系统，不仅具有理论意义，而且具有重要的经济意义和战略意义，在军事、民用等领域都有广阔的用途。
“电机数字控制系统集成设计”系列讲座的目的在于为读者建立起电机系统集成化设计思想和设计方法，培养读者具有系统集成化设计及应用能力，更好地为国防和经济建设服务。
电机数字控制系统的集成设计涉及电机学、电机控制、微电子、计算机和控制系统等多学科知识，起点较高，可为电气工程领域工程技术人员从事电机控制产品的研发提供必要的理论支持和设计参考。系列讲座共分十六讲，八章内容，内容包括：
第1章，电机数字控制系统集成设计综述，主要阐述电机控制器的集成化研究的目的、意义以及国内外研究现状；电机数字控制系统的集成设计知识体系及电机控制器的集成化设计方法等；
第2章，电机数字控制集成设计基础，阐述电机数字控制集成设计中的基础算法，包括二进制符号数乘、除算法，用于电机系统矢量坐标变换的CORDIC算法，M/T数字测速以及PI调节等，为电机数字控制的集成设计提供理论支持；
第3章，位置与速度传感器，介绍伺服驱动控制系统中常用的位置与速度传感器，包括霍尔传感器、光电编码器、旋转变压器和感应同步器的结构、特点、工作原理及应用等，为电机数字控制的集成设计提供位置和速度信息；
第4章，数字脉宽调制技术，逆变电路是变频调速控制的核心电路，脉宽调制技术占有核心位置。本章主要讲解基于数字技术实现的脉宽调制算法，包括数字脉宽调制方式、数字正弦波--三角波脉宽调制方法、空间矢量脉宽调制方法等原理及实现方法；
第5章，基于MCU架构的电机数字控制系统集成设计，介绍电机集成MCU控制芯片的结构、特点及编程环境和方法。分析电机集成MCU控制芯片在电机数字控制集成设计中的应用方法和特点。并以德国Infineon公司的最新高性能16位电机集成MCU控制芯片XE167为例阐述其在电机驱动控制系统中的应用；
第6章，基于DSP架构的电机数字控制系统集成设计，介绍电机集成DSP控制芯片的结构、特点及编程环境和方法。分析电机集成DSP控制芯片在电机数字控制集成设计中的应用方法和特点。并以美国TI公司的32位电机集成DSP控制芯片TMS320F2812为例阐述其在电机驱动控制系统中的应用；
第7章，基于FPGA架构的电机数字控制系统集成设计，讲述FPGA器件编程、仿真验证等软件开发环境及使用方法及如何编写空间矢量脉宽调制（SVPWM）、坐标变换、电流采用、电流PI调节、通讯等电机控制IP模块，并在线进行仿真、验证分析；
第8章，电机数字控制系统集成设计应用举例，以永磁无刷直流电机系统为例介绍SOC（System on a Chip）高性能交流伺服系统结构、工作原理和设计方法，实现基于FPGA的SOC永磁无刷直流电动机驱动控制系统的设计。
二十世纪后半期，随着集成电路和计算机技术的飞速发展，数字系统得到了飞速发展，其实现方法经历了由分立元件、SSI（Small scale integration）、MSI（Medium scale integration）到LSI（Large scale integration）、VLSI（Very large scale integration）以及ULSI（Ultra large scale integration）的过程。同时，为了提高系统的可靠性与通用性，微处理器和专用集成电路（ASIC）逐渐取代了通用全硬件LSI电路，而在这二者中，ASIC以其体积小、重量轻、功耗低、速度快、成本低、保密性好而脱颖而出。目前，业界大量可编程逻辑器件（PLD），尤其是现场可编程逻辑器件（FPGA）被大量地应用在ASIC的制作当中。在可编程集成电路的开发过程中，电子设计自动化（EDA）技术应运而生。正如其它数字系统的发展一样，EDA技术为电机数字控制系统的集成带来了机遇，使得单芯片高度集成的电机数字控制系统的实现成为可能。
电机伺服控制器有模拟和数字两种实现方法，而且数字技术将最终会取代模拟技术，这是有目共睹的事实。数字技术在运动控制系统中的应用只有20多年的历史，从上个世纪80年代初开始，伴随着单片微型计算机及专用集成电路走向产业化，对数字伺服控制技术的研究也逐渐在工业化国家流行。数字伺服控制技术的主要发展历程大致可以归结为三个层次：第一个层次以8位或16位MCU及中小规模ASIC为代表，经过十几年的工程实践，到上个世纪90年代初这类控制技术已经比较成熟了，但由于处理能力有限，只能部分实现控制器电路的数字化；第二个层次以高性能数字信号处理芯片DSP为主要标志，从上个世纪80年代末开始该技术迅速成为电动机控制领域的研究重点之一，其高速运算能力解决了复杂算法的实时性问题，从此伺服控制进入了全数字化时代，在后来的发展中又引入了大规模ASIC或PLD作为硬件协处理器，大幅度地提高了系统的整体性能，到目前为止仍然是应用最广泛的技术手段；第三个层次在本世纪初开始进入发展阶段，其标志是可编程片上伺服系统，即完全由超大规模FPGA来实现全数字的单芯片数字集成伺服控制器。从国际学术界和工业界的研究状况来看，集成了数模混合电路的SOC技术将是下一个具有里程碑意义的重要研究方向。
MCU、DSP、ASIC、FPGA四种数字实现技术在不同的应用条件下都有其存在的合理性，至于选择哪一种技术，只能根据实际需求和个人习惯了。 MCU的价格低、技术成熟、用户广泛，在低成本和性能要求不高的场合使用较多； DSP运算能力强、价格适中，内部集成有A/D转换电路，技术服务全面，因此在中高端应用中成为首选的器件； ASIC的售价比较便宜，专用性很强，适合于产品定型后的大批量生产；如今FPGA已经发展到了深亚微米工艺阶段，制造成本大大降低，规模也超过了千万个系统门，适合于进行ASIC的前期设计和验证，并可以直接用于算法研究和片上系统设计，开发周期很短，即使在航天、军事等特殊应用领域也有其广阔的市场；从理论上说，它能够实现任意复杂的数字电路。
当前，在电机数字集成控制器中应用最多的是单片机（MCU）或通用数字信号处理器（DSP）。但采用基于FPGA的架构来实现的电机数字控制系统有着明显的优点。MCU与FPGA在多样性和通用性上存在着差异：MCU是通过API（应用程序接口）获得多样性；而FPGA是通过可重新配置来实现的。FPGA具有高速、相当稳定的作业。另外，FPGA的显著优点是没有复位问题，所以其高可靠性是原理性的。虽然DSP的出现使得运算速度提高了一个档次，但无论如何用软件实现总是不如硬件执行得快，在实时性要求高的地方还是不能满足需要，这就限制了整个系统性能的进一步提高，而且软件的开发周期比较长。显然，由FPGA来实现最为合适。
硬件电路设计的软件化是EDA设计方法学的基本思想，也是电路设计的发展趋势，用硬件描述语言来描述、模拟数字电路系统是这一趋势的重要组成部分。由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的FPGA器件的硬件结构没有关系，所以设计成功的各类逻辑功能块软件有很好的兼容性和可移植性，它几乎可用于任何型号的FPGA中，由此还可以知识产权的方式得到确认，并被注册成为新的IP芯核，从而使得片上系统的产品设计效率大幅度提高。由于相应的EDA软件功能完善而强大，仿真方式便捷而实时，开发过程形象而直观，兼之硬件因素涉及甚少，因此可以在很短时间内完成十分复杂的系统设计。
采用FPGA是电子技术发展的必然趋势，基于EDA的FPGA的应用和技术推广将是我国未来电子设计技术发展的主流。这些新型器件的出现，为电机集成控制器的研究提供了物质基础和技术手段，使得诸如电机控制器等的片上系统集成有了可能。片上系统的出现，对大幅度降低功耗、提高抗干扰性、增加技术保密性以及减少电路板面积等都提供了良好的解决方案；在系统可编程(ISP)技术又使得设计者可以随时通过软件对器件编程，从而达到改变硬件结构的目的。随着EDA技术的发展和FPGA在深亚微米领域的进军，它们与MCU、DSP、A/D、D/A、RAM和ROM等独立器件间的物理与功能界限已日趋模糊。FPGA以其不可替代的地位及伴随而来的极具知识经济特征的IP芯核产业的崛起，正越来越受到电子技术工程师的密切关注。EDA打破了软硬件之间最后的屏障，是软硬件工程师们有了真正的共同语言，是目前一切仍处于计算机辅助性设计和规划的电子设计活动产生了实在的设计实体。基于现代EDA技术和FPGA器件，运用现代电机控制理论，进行电机数字控制系统的集成化研究将是未来电机控制领域的一个重要发展方向，它不仅仅具有理论意义，而且具有重要的经济意义和战略意义，在军事、民用等领域都会有广阔的用途。
2电机控制器集成化研究的国内外现状及分析
2.1.1IP复用技术
IP（Intellectual Property）原来的含义是指知识产权、著作权等，在IC设计领域则可以理解为实现某种功能的设计。IP核（IP模块）则是指完成某种功能的虚拟电路模块，也可以称之为虚拟部件（VC, Virtual Component）。在电子系统的设计已经往系统级发展的今天，IP复用（IP Reuse）技术已经引起世界范围的关注。越来越多的人开始认识到它的优越性，并努力推动基于IP复用的设计技术的发展。一般将IP核分为硬核、固核和软核三种类型。软核指的是在寄存器或门级对电路功能用HDL进行描述，表现为VHDL或Verilog HDL代码。用户在使用软核的时候可以修改， 以满足自己所需要的功能。软核主要用于接口、算法、编译码和加密等模块的设计。
硬核指的是以板图形式描述的设计模块，它基于一定的设计工艺，而且用户不能改动。用户得到的硬核仅是产品的功能，而不是产品的设计。常用的硬核有存储器、模拟器件和一些接口等。固核介于硬核和软核之间，允许用户重新定义关键的性能参数，内部连线也可以重新优化。一般，软核的开发成本相对较低，使用灵活，但其可预测性差，延时不一定能达到要求；而硬核的开发成本相对较高，但它的可预测性强，可靠性高，能够很快地投入使用；固核介于硬核和软核之间。
典型的IP核包括微处理器核（MCU core）、数字信号处理器核（DSP core）、存储器核（Memory core）、特定功能核（如MPEG等）以及一些标准接口IP核（如Ethernet、USB、PCI和IEEE1394核）等。由这些IP核可以非常方便的构成一个功能完整的电子系统，而且可以集成于一个芯片内部，构成系统芯片SOC，如图1-1所示。
图1-1 由IP核构成系统芯片SOC
用户在设计一个电子系统时，可以自行设计各个功能模块，也可以购买第三方拥有知识产权的IP模块。近几年来，已经有越来越多的公司投入了IP核的开发，IP核作为一种商品，已经在Internet上广泛销售。作为设计者来说，要想在最短的时间内开发出新产品，迅速占领市场，一个比较好的方法就是购买合适的IP，再把这些IP在功能上进行整合，迅速形成产品，推向市场。为了便于IP的开发和复用，需要制定一个统一的标准。一些半导体厂商、EDA公司、IP公司联合成立了虚拟插座接口协会(Virtual Socket Interface Association)，制定关于IP产品的标准与规范，即虚拟插座接口VSI(Virtual Socket Interface)标准。此外还成立了虚拟元件交易所（VCX），以加强IP信息的交流。这些都促进了IP产品的使用核推广。许多公司都纷纷设计具有自己特色的IP，拥有IP的多少渐渐成为衡量公司开发实力的一项标志。大量的IP产品已经开始销售和使用，各种微处理器（如8031、80C51）、通用串行接口（如8251等）、中断控制器（如8259等）、并行输入输出接口（PIO）、直接存储器存取（DMA）、数字信号处理器（DSP）、RAM和ROM、PCI总线控制器等等都有其相对应的商品化的虚拟器件和虚拟接口模型可供选用。虚拟器件往往只提供门级和寄存器传输级(RTL)的VHDL和Verilog HDL源代码，而虚拟接口模型提供的是系统级代码。门级和RTL级的HDL代码是可综合的，它与具体的逻辑电路有着精确的对应关系，而系统级代码一般是与器件结构无关的。虚拟器件和虚拟接口模型必须符合通用的工业标准并达到一定的质量标准才能发布。
基于IP复用的开发给设计者带来了诸多方便，比如说节省时间，缩短开发周期，避免重复劳动，等等。当然，IP的发展还存在一些问题，比如IP版权的保护，IP的保密及IP间的集成等。但基于IP复用的设计技术必将成为未来电子系统集成开发的主流技术之一。
2.1.2片上系统（SOC）
片上系统（SOC）也称为芯片系统，是指把一个完整的系统集成在一个芯片上，或是用一个芯片实现一个功能完整的系统。在以前，由于集成工艺以及EDA设计软件的限制，SOC还只是一个概念，但在今天已经变为现实。片上系统可以采用全定制的方式来实现，把设计的网表文件提交给半导体厂家流片就可以得到，但采用这种方式风险高，费用大，周期长。另外一种方式就是采用可编程逻辑器件来实现。十几年来，PLD器件有了长足的发展，以Altera公司的CPLD和Xilinx的FPGA为代表的PLD器件不断推陈出新。1985年，Xilinx推出自己的第一片FPGA。至今FPGA已从最初的1000多个可用门，发展到现在的百万门以上，工艺尺寸达到0.15μm的深亚微米级，金属布线层数达到了6层以上。Altera也先后推出了MAX7000、MAX9000、FLEX10K、ACEX1K和APEX20K/20KE等器件系列，其集成度不断提高，尤其是APEX20KE器件，可用门数以达到了百万门以上，如EP20K1500E的最大可用门数就是250万门。而且在该系列器件中，除集成了大量逻辑门和寄存器外，还集成了嵌入式系统块ESB（Embedded System Block）。用该系统块既可以构成RAM、ROM、FIFO（先进先出存储器）或者CAM（内容寻址存储器）等存储器，又可用作乘积项以实现一般的逻辑功能，使用方便，功能更强。
CPLD和FPGA的集成度越来越高，速度也越来越快，设计者可以在其上通过编程完成自己的设计。今天，已不仅能用它们实现一般的逻辑功能，还可以把微处理器、DSP、存储器和标准接口等功能部件全部集成在其中，真正实现SOC(System On a Chip)。
微电子制造工艺的进步，为SOC的实现提供了硬件基础，而EDA软件技术的提高，则为SOC创造了必要的开发平台。目前，EDA的新工具、新标准和新方法正在向着高层化发展。过去已将设计从晶体管级提高到了逻辑门级，后来，又提高到了寄存器级，现在则越来越多的在系统级完成。从图1-2可以看出，EDA支持的设计，其复杂程度和设计效率都在不断提高。
图1-2 EDA工具向高层化发展
2.2电机控制器研究现状和发展趋势
现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一方面又不断的有技术指标及其苛刻的特殊应用的系统需求。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善、仿真工具的日渐成熟，给电机控制带来了很多发展的契机。
目前，单片机在我国电子系统的设计中已得到广泛的应用，使我国的电子系统智能化水平在广度和深度上发生了质的飞跃。在数字系统中，尽管采用了单片机和存储器，但仍需大量的中、小规模的数字集成电路来进行各种逻辑控制。而对于系统构成的设计过程只能对器件功能和电路板图分别进行设计和确定，通过设计板来规划系统功能，花大量时间用于元件的选配和系统结构的可行性分析上。这也暴露出基于单片机的数字系统设计上的一个不可逾越的困难。传统的基于单片机软件运算的控制系统，由于学习效率低、速度慢、开发周期长等弱点，已越来越不适应现代高性能伺服系统的要求以及时代发展的需要。
在需要处理的数据量大，而且实时性和精度又要求高的场合，如采用矢量变换控制的系统，单片机往往不再能满足要求。因此人们自然而然地又想到了数字信号处理器(DSP)。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，越来越好；价格却大幅度下滑，且具有更高的性能价格比。越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机已经成熟。采用基于DSP的电机专用集成电路，通过复杂的算法达到同样的控制性能，既降低成本，可靠性又高，并且有利于专利技术的保密，还可以降低对传感器等外围器件的要求。有时，系统要求的人机交互、打印等控制较多，一个DSP不能胜任，这时可采用一个单片机来处理事务，一个DSP来处理运算的异型多处理器系统。但这样做，既增加了两个处理器之间同步和通信的负担，又使系统实时性变坏，延长系统开发时间。这种情况下，如果把微处理器、微控制器和数字信号处理器的能力再加上外部各种分立元器件实现的逻辑功能集中于一块芯片上，不但能解决以上的各种问题，还大大减少了控制器的体积和损耗，相应地可靠性也得到了提高。这就是电机控制器的集成化研究，需要自己开发类似的芯片。
与MCU和DSP相比，基于EDA技术的CPLD/FPGA器件的开发和应用可从根本上解决上述问题。正是由于近年来，大规模可编程逻辑器件以及现代EDA技术的飞速发展，使得普通设计人员研究集成化的控制器成为可能。而整个开发过程又容易掌握。设计者只需从行为上进行描述。从长远看，随着EDA技术的发展、CPLD/FPGA集成水平的进一步提高以及IP核产业进一步扩大，可以预言，在大部分电子设计领域，MCU、MPU、DSP或A/D、D/A和RAM等必将以各种软/固/硬IP芯核的形式统一于FPGA，实现真正意义上的电机控制器集成设计。
（未完待续）
具备了可编程逻辑器件以及相应的EDA开发工具，就可以利用某一种或某几种硬件描述语言实现电机数字控制系统的集成化设计。
根据现代EDA设计方法，集成电机控制器IP核设计可以分为以下几个步骤：
（1）系统规划
根据控制任务规划整个系统，明确控制对象、控制目的、控制方法等，大致划分功能模块，并确定哪些功能可以利用可编程器件实现，哪些不宜于使用可编程器件。
（2）算法研究
包括新算法的研究或传统软件算法的改进，以适于用硬件描述语言进行设计。
（3）系统或子系统的模块化
根据系统的规划，将可以使用可编程器件的功能进一步细化，形成一些小的可以直接用硬件描述语言或现成的IP模块实现的子模块，并确定各个子模块的接口即输入输出。各个子模块就是靠这些接口构成更大的模块或功能的。
（4）模块功能设计
将划分好的子模块的功能按照一定的算法分别用硬件描述语言设计，可以采用行为级描述，也可以采用RTL级或门级描述，或者是混合使用各种描述方法；程序完成后在EDA平台上分别进行编译及功能仿真。
（5）集成与仿真
根据系统的要求，将设计好的各模块进行组合，形成一个或多个大的集成功能模块，并对这些大的模块进行功能仿真与时序仿真。
（6）集成控制器的硬件实现
将仿真过的模块通过编程电缆下载到目标器件上，然后对整个系统电路进行硬件调试，不合要求的地方可以随时调整设计软件来改变硬件结构，亦即在系统编程。
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