基于SoC FPGA的工業(yè)和馬達控制方案設計

工業(yè)系統通常由微控制器和 FPGA器件等組成，美高森美(Microsemi )基于 SmartFusion2 SoC FPGA的馬達控制解決方案是使用高集成度器件為工業(yè)設計帶來(lái)更多優(yōu)勢的一個(gè)范例。本白皮書(shū)重點(diǎn)探討用于工業(yè)系統的SmartFusion2系列器件的特性，以及這款器件在TCO(總體擁有成本)概念上比傳統架構好的方面。

工業(yè)市場(chǎng)的最新發(fā)展一直在推動(dòng)對高集成度的高性能、低功耗FPGA器件的需求，設計人員對網(wǎng)絡(luò )通信的偏好超過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)通信，這意味著(zhù)通信應用可能需要額外的控制器，間接地增大了材料清單(BOM)成本、電路板尺寸，以及相關(guān)的一次性工程(NRE)費用。TCO是用于分析和評估的生命周期成本的概念，它是與設計相關(guān)的所有直接和間接成本的擴展。這些成本包括工程成本、安裝和維護成本、BOM、NRE (RD)成本及其它，也可能通過(guò)考慮系統級因素來(lái)實(shí)現TCO最小化，從而帶來(lái)可持續的長(cháng)期贏(yíng)利能力。

美高森美提供具有ARM Cortex-M3微控制器硬核、IP集成，以及成本優(yōu)化封裝，并且具有更小BOM清單和電路板尺寸的SmartFusion2 SoC FPGA器件。憑借低功耗特性和寬工作溫度范圍，這些器件能夠在極端條件下可靠工作，且無(wú)需風(fēng)扇冷卻。通過(guò)集成ARM Cortex-M3 IP 和 FPGA fabric，還可以實(shí)現更高的設計靈活性和更快的上市速度。美高森美能夠提供多軸馬達控制的多種參考設計和IP生態(tài)系統，用于開(kāi)發(fā)馬達控制算法，從而簡(jiǎn)化從多處理器解決方案向單一器件解決方案，即向SoC FPGA器件的轉變。

TCO影響因素

以下是影響系統TCO的一些因素。

1. 長(cháng)生命周期

FPGA器件可以重新編程，即使部署在現場(chǎng)中也不例外，這樣可以延長(cháng)產(chǎn)品生命周期，允許設計人員集中精力以更快的速度開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。

2. BOM

美高森美基于flash 的FPGA器件無(wú)需導引PROM或flash MCU在FPGA上電時(shí)載入數據，它們是零級(level zero)非易失性/即時(shí)開(kāi)啟器件。與基于SRAM的FPGA器件不同，由于flash開(kāi)關(guān)不會(huì )發(fā)生電壓下降(brown out)，美高森美基于flash的FPGA器件無(wú)需額外的上電監控器。

3. 上市時(shí)間

OEM廠(chǎng)商之間的激烈競爭要求設計具有更多的產(chǎn)品差異化和更快的上市速度，提供多款經(jīng)過(guò)測試的IP模塊可以大幅減少設計時(shí)間。市場(chǎng)已有多款構建工業(yè)解決方案所需的IP模塊，同時(shí)，還有多款I(lǐng)P模塊正在開(kāi)發(fā)之中。SoC方案提供的另一項獨特優(yōu)勢是調試FPGA設計，為了調試FPGA設計，可經(jīng)由高速接口，利用微控制器子系統(MSS)來(lái)提取FPGA器件中的信息。

4. 工程工具成本

一般都認為FPGA工具非常昂貴，美高森美提供具有免費金(gold)許可授權的Libero系統級芯片(SoC)或集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，僅在開(kāi)發(fā)高端設備時(shí)需要付費的許可授權。

工業(yè)驅動(dòng)系統

工業(yè)驅動(dòng)系統包括一個(gè)馬達控制組件和一個(gè)通信組件，馬達控制組件包括驅動(dòng)逆變器邏輯和保護邏輯。通信組件則實(shí)現監控控制，負責實(shí)施運行時(shí)間參數的初始化和修改。

在典型驅動(dòng)應用中，可能使用多個(gè)控制器器件來(lái)實(shí)施驅動(dòng)邏輯。一個(gè)器件可能執行與馬達控制算法相關(guān)的計算，第二個(gè)器件可能工作與通信相關(guān)的任務(wù)，第三個(gè)器件可能運行與安全相關(guān)的任務(wù)。

圖1： 工業(yè)驅動(dòng)系統

多軸馬達控制

傳統上的工業(yè)馬達控制采用微控制器或數字信號處理(DSP)器件來(lái)運行馬達控制所需要的復雜算法。在大多數傳統的工業(yè)驅動(dòng)中，FPGA器件與微控制器或DSP一起用于數據采集和快速動(dòng)作保護。除去數據采集、脈寬調制(PWM)生成和保護邏輯，傳統上，FPGA器并未在實(shí)施馬達控制算法方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。

這種方法使用微控制器或DSP來(lái)實(shí)施馬達控制算法，并不容易擴展至控制超過(guò)一個(gè)在獨立速率下(多軸馬達控制)運行的馬達，美高森美SmartFusion2器件能夠使用單一器件來(lái)實(shí)施完整的集成式多軸馬達驅動(dòng)控制。

控制方面可以分為兩個(gè)部分，一部分是與運行磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法、速度控制、電流控制、速度估算、位置估算，以及PWM生成相關(guān)，另一部件則包括速度曲線(xiàn)、負載特性、過(guò)程控制，以及保護(故障和警報)。執行FOC算法是時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)，并且要求在極高的采樣速率下實(shí)施(在微秒范圍內)，尤其是具有低定子電感的高速馬達，這就需要在FPGA器件中實(shí)施FOC算法。過(guò)程控制、速度曲線(xiàn)，以及其它保護無(wú)需快速更新，因而，可以在較低的采樣速率下進(jìn)行(在毫秒范圍內)，并且能夠在內置Cortex-M3處理器中進(jìn)行編程。

晶體管開(kāi)關(guān)周期在驅動(dòng)中發(fā)揮著(zhù)重要作用，如果FOC 回路執行時(shí)間比開(kāi)關(guān)階段縮短很多，可將硬件模塊重用于計算第二個(gè)馬達的電壓，這意味著(zhù)在相同的成本下器件的性能更好。

圖 2： 基于SmarFusion2 FPGA器件的馬達控制

馬達控制IP模塊

PI控制器

比例積分(PI)控制器是用于控制系統參數的反饋機制，PI控制器具有兩個(gè)可調節的增益參數，用于控制控制器的動(dòng)態(tài)響應——比例增益常數和積分增益常數。PI控制器的比例分量是比例增益常數和誤差輸入的乘積，而積分分量則是累積誤差和積分增益常數的乘積。而后，這兩個(gè)分量相加。PI控制器的積分階段會(huì )導致系統不穩定，這是由于數據值不可控制的增加。這種不可控制的數據增加稱(chēng)為卷積(wind-up)，所有PI控制器實(shí)施方案包括一個(gè)抗卷積 (anti-windup)機制，用于確?？刂破鬏敵鍪怯邢薜?。美高森美PI控制器IP模塊使用保持飽和(hold-on-saturation)算法來(lái)實(shí)現抗卷積，這個(gè)模塊還提供設置初始輸出值的附加特性。

圖3所示為無(wú)刷FOC算法框圖，這些模塊作為IP core以供使用，本節將會(huì )逐一對他們展開(kāi)討論。

圖3： 永磁同步馬達FOC算法框圖