工业设备市场的许多企业都希望采用人工智能和机器学习技术帮助他们最大程度减少意外的服务中断，防止其产品、产线和服务受到影响。这种想法的缘由显而易见：减少意外停机时间能够提升运营效率，实现效益最大化。市场分析公司Aberdeen在2016年发布的一份研究报告表明，企业停摆一小时的平均成本高达26万美元1。OEM可以通过为工业系统增加测量和分析性能数据的智能功能，帮助客户实施预测性维护（PDM）系统，从而识别和更换故障的系统组件（例如工业机器人中使用的电机），以免它们出现故障而中断生产。

为了帮助工业设备OEM厂商在其产品中实现PDM功能，莱迪思半导体开发了用于工业自动化系统的莱迪思AutomateTM解决方案集合。莱迪思提供各类低功耗FPGA，作为一种可重新编程的芯片，它可执行数据处理或协处理功能，构建用于PDM应用的AI/ML推理模型。为简化和加快基于莱迪思FPGA的PDM系统的开发，Automate包括了软件工具、工业IP核、模块化硬件开发板、软件可编程的参考设计和演示，轻松设计具有PDM功能、可扩展的多通道电机控制应用。图1展示了基于莱迪思Automate 解决方案集合设计的具有预测性维护功能的电机控制系统。

图1. 基于莱迪思Automate 解决方案集合设计的具有预测性维护功能的电机控制系统，可用于工业自动化应用

Automate包括了一个PDM多通道电机控制参考设计，采用了业界常见的电机电流信号分析（MCSA）技术。在莱迪思的解决方案中，克拉克变换将来自三相电机的电流转换为两个信号。转换后的电流变成α电流和β电流。对于正常运行的健康电机来说，α电流和β电流相隔90度。在 x-y坐标系平面中，点的轨迹构成一个圆。在下文中，我们将展示电流或负载不平衡引起的各种轨迹圆的变形。

本文使用了在FPGA的RTL中实现的无传感器空间矢量脉宽调制（SV_PWM）技术来驱动一个三相无刷直流（BLDC）电机。SV_PWM控制信号驱动Trenz TEP0002电机驱动板，该开发板实现了霍尔电流传感器，并连接电机以检测电机绕组电流。板载ADC将霍尔电流传感器的输出数字化，因此该参考设计可以读取和控制用于电机控制和PDM的 ADC。电流以每秒0.8 MS/s的速率进行采样。

使用克拉克变换（方程 1）将三相（A、B和C）电流（图 2）转化为α电流和β电流，如图3所示。

图3. 克拉克变换的输出Iα and Iβ

观察Iα和Iβ可以发现它们类似于cos和sin函数。事实上，当它们在x-y坐标平面上绘制函数图像时，结果就是一个圆（图 4）。

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