伺服驱动器中DSP与FPGA高效协同架构解析
一、整体架构
二、FPGA 负责的功能（硬件实时层）
1. PWM 波形生成
- 空间矢量 PWM (SVPWM)
- 死区时间控制
- 最小零矢量控制
- 频率：16kHz
2. 电流采样与处理
// Sigma-Delta调制器处理
*CurSampCtrl // ADC采样启动延时设置
*CurSampCtrlSec // 第二组采样延时设置
- 三相电流采样（U/V/W）
- Σ-Δ 调制器信号处理
- 电流滤波与定标
3. 电流环 PI 控制（在 FPGA 内部）
*KpId, *KiId // D轴PI参数
*KpIq, *KiIq // Q轴PI参数
*IErrLim // 积分误差限幅
- D/Q 轴电流 PI 调节
- 反电动势补偿（Ked, Keq）
- 电压调制度计算（Vd, Vq）
- 执行频率：16kHz
4. 编码器信号处理
*INCEncCtrl // 增量编码器控制
*ABSEncSel // 绝对编码器选择
*RotEnc_MaxCnt // 编码器线数
*RotEnc_ZCnt // Z脉冲电角度
- 增量编码器 A/B/Z 相处理
- 绝对编码器通信（SPI/I2C）
- 旋转变压器接口
- 光栅尺接口
5. 速度计算
*MotorSpeed // 速度反馈值
*MechAng // 机械角度
- M 法/T 法测速
- 速度滤波
- 速度定标
6. 位置脉冲指令接收
*PosCmd // 位置脉冲指令控制
*PosRefHigh/Low // 位置指令值
- 脉冲+方向模式
- AB 正交模式
- CW/CCW 模式
7. 故障检测与保护
*SysErr // 系统故障状态
*GateKillFlt // IGBT硬件过流
*OvrCurFlt // 电流溢出
*OvrSpdFlt // 转速溢出
- 硬件过流保护
- 编码器故障检测
- 超时故障监控
- STO 安全信号处理
三、DSP 负责的功能（算法控制层）
1. 速度环控制（2kHz）
Nomal_SpdSchedueMode() // 速度PI调节器
- 速度误差计算
- 速度 PI 调节
- 转矩前馈
- 扰动观测器（DOB）
2. 位置环控制（1kHz）
PosRegulator() // 位置PID调节器
- 位置误差计算
- 位置 PID 调节
- 速度/加速度前馈
- 增益切换
3. 转矩指令计算
GetIqRef() // 获取转矩指令
- 速度环输出 → 转矩指令
- 转矩限制
- 转矩滤波
4. 系统管理与通信
- Modbus/CANopen/EtherCAT
- 功能码管理
- 参数存储（EEPROM）
- 故障处理与报警
5. 辅助功能
- 惯量识别
- 摩擦识别
- PI 自整定
- 振动抑制（FFT）
四、通信接口与同步机制
1. 并行总线接口
#define FPGA_BASE 0x60000000 // FPGA基地址
// DSP → FPGA (写操作)
*HostToqRef // 转矩指令
*HostIdRef // D轴电流指令
*HostSon // 伺服ON/OFF
*HostAng // 初始电角度
*HostBusGain // 母线电压补偿增益
// FPGA → DSP (读操作)
*Iq, *Id // D/Q轴电流反馈
*MotorSpeed // 速度反馈
*PosFbkHigh/Low // 位置反馈
*SysState // 系统状态
*SysErr // 故障状态
2. 中断同步机制
FPGA硬件时序：
- FPGA 在每个 PWM 周期结束时触发中断
- DSP 在中断中读取反馈、计算控制量、更新指令
五、数据流向
1. 控制数据流（DSP → FPGA）
位置环(1kHz) → 速度指令
↓
速度环(2kHz) → 转矩指令
↓
DSP计算 → *HostToqRef, *HostIdRef
↓
FPGA电流环(16kHz) → PWM输出
2. 反馈数据流（FPGA → DSP）
编码器信号 → FPGA编码器处理
↓
位置反馈 → *PosFbkHigh/Low
速度反馈 → *MotorSpeed
↓
DSP读取 → GetFPGAParam()
↓
位置环/速度环计算
3. 电流控制数据流
电流采样 → FPGA Σ-Δ处理
↓
三相电流 → D/Q变换
↓
FPGA电流PI → 电压调制度(Vd, Vq)
↓
SVPWM → PWM输出
↓
DSP读取电流反馈 → *Iq, *Id
六、关键配合点
1. 转矩中断中的配合
EXTI0_IRQHandler() // FPGA触发中断
│
├─→ GetFPGAParam() // DSP读取FPGA反馈
│ ├─→ 位置反馈
│ ├─→ 速度反馈
│ ├─→ 电流反馈
│ └─→ 系统状态
│
├─→ 速度环计算(2kHz调度)
│ └─→ 转矩指令计算
│
└─→ SetFPGAParam() // DSP写入FPGA指令
├─→ *HostToqRef // 转矩指令
├─→ *HostIdRef // D轴电流指令
└─→ *HostSon // PWM使能
2. 参数更新时机
- 16kHz（转矩中断）：转矩指令、电流指令
- 1kHz（主循环）：PI 参数、系统配置
- 4Hz（慢速更新）：编码器参数、功能码
七、设计优势
- 实时性
- FPGA 处理硬件实时任务（PWM、电流环）
- DSP 处理算法任务（速度环、位置环）
- 性能
- FPGA 并行处理，延迟低
- DSP 灵活实现复杂算法
- 可靠性
- FPGA 硬件保护（过流、故障检测）
- DSP 软件保护（过载、监控）
- 可扩展性
- FPGA 可扩展硬件接口
- DSP 可扩展算法功能
八、总结
- FPGA：硬件实时层，负责 PWM 生成、电流环 PI、编码器处理、速度计算、故障检测
- DSP：算法控制层，负责速度环、位置环、系统管理、通信、辅助功能
- 配合方式：通过并行总线接口和 16kHz 中断实现同步，DSP 计算控制指令，FPGA 执行硬件控制
这种分工实现了硬件实时性与软件灵活性的平衡，保证了伺服系统的性能与可靠性。