基于模型的設(shè)計(jì)(MBD)因其在縮小實(shí)時(shí)系統(tǒng)抽象的數(shù)學(xué)建模和物理實(shí)現(xiàn)之間差距方面的光明前景而備受關(guān)注。通過使用相同的源代碼進(jìn)行算法分析、架構(gòu)探討、行為模擬和硬/軟件設(shè)計(jì),MBD有望縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期。
無需通曉硬件描述語言(HDL),為DSP提供的Xilinx System Generator即可讓控制工程師在熟悉的Simulink環(huán)境中設(shè)計(jì)系統(tǒng),然后在FPGA中實(shí)施。為此,必須將受控系統(tǒng)(通常稱之為設(shè)備)的數(shù)學(xué)模型參數(shù)值(如連續(xù)/離散時(shí)間傳遞函數(shù)或狀態(tài)空間描述)與FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和數(shù)字控制器的采樣率關(guān)聯(lián)起來。
FPGA中的數(shù)共模電感器字控制器
之前,在實(shí)施FPGA時(shí),控制器設(shè)計(jì)人員在首次驗(yàn)證控制策略和參數(shù)并進(jìn)行控制器和設(shè)備模型的高級模擬(如使用Simulink)后,可能還會(huì)使用一種低級的HDL。HDL控制器設(shè)計(jì)與Simulink模擬之間的對應(yīng)性將由HDL測試平臺加以驗(yàn)證。為在閉環(huán)系統(tǒng)中驗(yàn)證控制器設(shè)計(jì),該測試平臺必須包括設(shè)備模型。對于缺乏HDL和FPGA技術(shù)專業(yè)背景的設(shè)計(jì)人員及大多數(shù)控制工程師而言,要實(shí)現(xiàn)上述這一切卻并非易事。在這種情況下,如Xilinx System Generator之類的高級建模和設(shè)計(jì)環(huán)境正是理想之選。
System Generator中的PID控制器
鑒于許多控制器仍基于傳統(tǒng)的比例-積分-微分(PID)結(jié)構(gòu),借用一個(gè)PID控制器來演示本文的觀點(diǎn)。同時(shí),本文概述的方法也可較好地處理超前滯后補(bǔ)償器、狀態(tài)空間觀測器或者自適應(yīng)控制器等其他常用的控制組件。圖1所示為采用源自賽靈思模塊集的模塊而設(shè)計(jì)的PID控制器。
圖1 基于System Generator模塊且支持抗飽和功能的PID控制器
這里沒有使用賽靈思的累加器模塊,而是采用基本的加法器和寄存器構(gòu)建塊來實(shí)現(xiàn)集成。這樣做可以插入如圖1所示的抗飽和邏輯,以便在控制器輸出的積分部分達(dá)到執(zhí)行器規(guī)定的飽和限值時(shí),凍結(jié)累加器寄存器中的內(nèi)容。抗飽和邏輯可使PID控制器成為非線性系統(tǒng),并對系統(tǒng)的總體動(dòng)態(tài)產(chǎn)生積極的影響。
圖2所示的模塊參數(shù)菜單可用來配置各種信號的控制參數(shù)和字寬。
圖2 PID控制器的定制參數(shù)菜單
另外,設(shè)計(jì)人員還能在此啟用或停用抗飽和函數(shù)。利用該菜單,無需修改低級HDL代碼即可方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
圖3所示為整體系統(tǒng)模型,其不僅包含控制器,還有基于標(biāo)準(zhǔn)Simulink模塊的設(shè)備和模擬測試平臺。借助該模型,設(shè)計(jì)人員可采用連續(xù)或離散時(shí)間傳遞函數(shù)進(jìn)行設(shè)備建模,而在HDL測試平臺中則只能使用離散時(shí)間函數(shù)。值得一提的是,采用System Generator方法,就可以通過同一個(gè)高級模型完成從系統(tǒng)建模、模擬、驗(yàn)證直至實(shí)施的任何工作。
控制參數(shù)
第一個(gè)控制參數(shù)是模擬時(shí)間單位TSim。該參數(shù)無須在設(shè)計(jì)中明確地輸入。該參數(shù)代表的是對 Simulink模擬中基礎(chǔ)時(shí)間單位的隱含假設(shè)。因此,其僅對模擬有所影響。在Simulink以及System Generator環(huán)境中,模擬時(shí)間單位通常被假定為1s。例如,System G鐵硅鋁電感器enerator Wavescope模塊的顯示就使用這個(gè)慣例。不過正如在下面所見到的,TSim也可以滿足需要的其它任何時(shí)間單位。
隨后還需要在System Generator中以納秒為單位設(shè)置FPGA時(shí)鐘周期TCLK參數(shù)。該參數(shù)代表的是主系統(tǒng)時(shí)鐘輸入到FPGA的周期,而所有其它時(shí)鐘和
時(shí)鐘啟動(dòng)均由此導(dǎo)出。因此,其設(shè)置只會(huì)影響硬件實(shí)施。例如,對于廣受青睞的賽靈思Spartan-3E入門套件,F(xiàn)PGA時(shí)鐘周期為20ns(50MHz)。而Simulink系統(tǒng)周期Psys則代表著Simulink模擬和硬件實(shí)施之間的全局連接。設(shè)計(jì)人員必須設(shè)定這個(gè)參數(shù),因?yàn)樗赟ystem Genera電感廠家tor中影響Simulink模擬和硬件實(shí)施。在模擬過程中,該值決定了相對于模擬時(shí)間單位而言,對模型的System Generator模塊調(diào)用、但卻不必要地進(jìn)行更新的頻度。對于硬件實(shí)施,該參數(shù)規(guī)定了相對于控制器采樣率 大功率電感廠家 |大電流電感工廠