另一個促進因素是多軸向控制。可編程 SoC 上豐富的可編程邏輯和 DSP 資源為在單個可編程 SoC 上實現(xiàn)多個電機控制器開辟了無限可能。不論電機是單獨運行還是組合運行，都可受控于集成動作控制系統(tǒng)之下。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò) IP 集成是又一大因素。賽靈思及其 IP 合作伙伴提供的 IP 用于與 EtherCAT、PROFINET 和其他能方便地集成到可編程 SoC 中的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議集成。

由于電機驅(qū)動系統(tǒng)占全球耗電量的 46%，用新穎的控制算法取得更高效率是電機驅(qū)動設(shè)計追求的永無止境的共同目標(biāo)。

為說明這一工作流程在通用電機控制案例上的運用,將以實現(xiàn)在 Zynq-7020 SoC 上的三相電機磁場定向控制算法為例(有關(guān)該硬件原型設(shè)計平臺的詳情，該電機控制系統(tǒng)模型包含兩個主要的子系統(tǒng)（圖 2）：一個是針對已經(jīng)在 Zynq 處理系統(tǒng)和可編程邏輯間完成分區(qū)的 Zynq SoC 的電機控制器；另一個是連接到配有測量軸角度的編碼器的無刷直流電機的電機控制 FPGA 夾層卡 (FMC)。

可以從數(shù)據(jù)流的角度觀察軟硬件分區(qū)：

? 速度控制 (Velocity Control) 模塊和模式選擇 (Mode Select) 模塊被分配給 ARM Cortex-A9 處理系統(tǒng)，因為這兩個模塊與模型的其余部分相比運行在較低速度下，也因為它們是設(shè)計在開發(fā)過程中最有可能修改和重新編譯的部分。

? 運行在 ARM 內(nèi)核上的模式選擇 (Mode Select) 狀態(tài)機負(fù)責(zé)判斷電機控制器的運行模式（開環(huán)運行還是閉環(huán)調(diào)節(jié)）。該狀態(tài)機負(fù)責(zé)管理在切換到閉環(huán)控制模式之前的啟動、開環(huán)控制和編碼器校準(zhǔn)模式之間的切換工作。

? 編碼器傳感器信號通過外部端口傳遞給可編程邏輯中的編碼器外設(shè) (Encoder Peripheral)，然后傳遞給位置/速度估算 (Position/Velocity Estimate) 模塊，計算電機的狀態(tài)（軸位置和速度）。

? 一個ΣΔADC 感知電機電流，隨即由手動編碼 ADC 外設(shè)模塊處理該電流。

? 電流控制器負(fù)責(zé)獲取電機狀態(tài)與電流、工作狀態(tài)以及 ARM 內(nèi)核通過 AXI4 接口傳遞的速度控制命令，據(jù)此計算電流控制器命令。在處于閉環(huán)模式下時，電流控制器使用比例積分 (PI) 控制原理，其增益可使用仿真和原型設(shè)計加以微調(diào)。

? 電流控制器命令穿越電壓轉(zhuǎn)換模塊，通過 PWM 外設(shè)輸出給電機控制 FMC，最終用于驅(qū)動電機。

設(shè)計人員能在 Simulink 中為完整系統(tǒng)建立模型（圖 3）。

在基于模型的設(shè)計中，系統(tǒng)的頂層 Simulink 模型的組件數(shù)量增加到四個：

? 輸入模型：負(fù)責(zé)向控制器提供受控軸速度和開/關(guān)命令，用作激勵信號；
? 電機控制算法模型：主要用于 Zynq SoC；
? 設(shè)備模型：包括 FMC 驅(qū)動電子電路、無刷直流電機的永磁同步電機 (PMSM) 模型、電機軸上的慣性負(fù)載模型和編碼器傳感器模型；以及
? 輸出驗證模型：包含后處理和圖形功能，有助于算法開發(fā)人員優(yōu)化和驗證模型。

在 Simulink 中可以在遠(yuǎn)早于開始硬件測試的時候就借助仿真徹底檢驗該算法。可以細(xì)調(diào) PI 控制器的增益，嘗試多種激勵配置，檢驗不同處理速度的結(jié)果。在使用仿真的時候需要面對一個根本性問題：由于電機控制中一般存在著好幾種千差萬別的速度，即 1-10Hz 的總體機械響應(yīng)速度、1-25 KHz 的內(nèi)核控制器算法速度、10-50 MHz 的可編程邏輯運行速度，仿真運行時間從數(shù)分鐘到數(shù)小時不等。我們可以借助一種對外設(shè)（PWM、電流感應(yīng)和編碼器處理）使用行為模型的控制環(huán)路模型解決這一問題，生成如圖 3 所示的時間響應(yīng)。

仿真與硬件環(huán)境之間的持續(xù)驗證讓設(shè)計人員在設(shè)計流程中盡早發(fā)現(xiàn)并解決問題。

在使用控制環(huán)路模型微調(diào)控制器之后，下一步是使用包含外設(shè)的高保真度模型在仿真中證明控制器的合格性。方法是加入用于控制器的 C 和 HDL 組件的時序精度規(guī)格模型。這些規(guī)格模型擁有生成 C 和 HDL 代碼所需的語義。通過仿真隨后驗證配備規(guī)格模型的系統(tǒng)能極為精確地追蹤控制環(huán)路模型。