使用SoC FPGA進(jìn)行工業(yè)設計和電機控制

　　在工業(yè)系統中選擇器件需要考慮多個(gè)因素，其中包括：性能、工程變更的成本、上市時(shí)間、人員的技能、重用現有IP/程序庫的可能性、現場(chǎng)升級的成本，以及低功耗和低成本。

　　工業(yè)市場(chǎng)的近期發(fā)展推動(dòng)了對具有高集成度、高性能、低功耗FPGA器件的需求。設計人員更喜歡網(wǎng)絡(luò )通信而不是點(diǎn)對點(diǎn)通信，這意味著(zhù)可能需要額外的控制器用于通信，進(jìn)而間接增加了BOM成本、電路板尺寸和相關(guān)NRE(一次性工程費用)成本。

　　總體擁有成本用于分析和估計購置的壽命周期成本，它是所有與設計相關(guān)的直接和間接成本的擴展集，包括工程技術(shù)成本、安裝和維護成本、材料清單(BOM)成本和NRE(研發(fā))成本等。通過(guò)考慮系統級因素有可能最大限度地減少總體擁有成本，從而帶來(lái)可持續的長(cháng)期盈利能力。

　　美高森美公司(Microsemi)提供具有硬核ARMCortex-M3微控制器和IP集成的SmartFusion2SoCFPGA器件，它采用成本優(yōu)化的封裝，具有減少BOM和電路板尺寸的特性。這些器件具有低功耗和寬溫度范圍，能夠在沒(méi)有冷卻風(fēng)扇的極端條件下可靠地運行。SmartFusion2SoCFPGA架構將一個(gè)硬核ARMCortex-M3IP與FPGA架構相集成，可以實(shí)現更大的設計靈活性和更快的上市時(shí)間。美高森美為電機控制算法開(kāi)發(fā)提供了具有多個(gè)多軸電機控制參考設計和IP的生態(tài)系統，使由多處理器解決方案轉向單一器件解決方案(即SoCFPGA)更加容易。

　　影響TCO的因素

　　以下是影響系統TCO的一些因素。

　　(1)長(cháng)壽命周期。FPGA可以在現場(chǎng)部署之后進(jìn)行重新編程，這延長(cháng)了產(chǎn)品的壽命周期，從而使設計人員能夠專(zhuān)注于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，實(shí)現更快的上市時(shí)間。

　　(2)BOM。美高森美基于閃存技術(shù)的FPGA在上電時(shí)無(wú)需啟動(dòng)PROM或閃存MCU來(lái)加載FPGA，它們是零級非易失性/即時(shí)啟動(dòng)器件。與基于SRAM的FPGA器件不同，美高森美基于閃存的FPGA無(wú)需附加上電監控器，這是因為閃存開(kāi)關(guān)不會(huì )隨電壓而改變。

　　(3)上市時(shí)間。OEM廠(chǎng)商之間的激烈競爭迫切需要更多的產(chǎn)品差異化和更快的上市時(shí)間。經(jīng)過(guò)驗證的IP模塊可大幅縮短設計時(shí)間。目前已經(jīng)可以提供多個(gè)構建工業(yè)解決方案所需的IP模塊，同時(shí)更多的模塊正在開(kāi)發(fā)中。SoC表現出的另一個(gè)獨特優(yōu)勢是可以用于調試FPGA設計。為了調試FPGA設計，可以通過(guò)用于調試的高速接口，利用微控制器子系統從FPGA中提取信息。

　　(4)工程工具成本。與FPGA開(kāi)發(fā)工具昂貴的概念相反，美高森美提供用于FPGA開(kāi)發(fā)的免費LiberoSoCIDE，僅在開(kāi)發(fā)高端器件時(shí)才需要付費。

　　工業(yè)驅動(dòng)系統

　　工業(yè)驅動(dòng)系統由一個(gè)電機控制器件和一個(gè)通信器件構成，電機控制器件包含了驅動(dòng)逆變器的邏輯和保護邏輯，通信器件則使監控控制能夠對運行時(shí)間參數進(jìn)行初始化和修改。

　　圖1：典型工業(yè)驅動(dòng)系統。

　　在典型的驅動(dòng)系統(圖1)中，可能使用多個(gè)控制器器件來(lái)實(shí)現驅動(dòng)邏輯。一個(gè)器件可能執行與電機控制算法相關(guān)的計算，第二個(gè)器件可能運行與通信相關(guān)的任務(wù)，第三個(gè)器件則可能運行與安全性相關(guān)的任務(wù)。

　　多軸電機控制

　　傳統上，工業(yè)電機控制應用使用微控制器或DSP來(lái)運行電機控制所需的復雜算法，在大多數傳統的工業(yè)驅動(dòng)中，FPGA與微控制器或DSP一起使用，用于數據采集和快速作用保護。除了數據采集、PWM生成和保護邏輯，FPGA傳統上并未在實(shí)現電機控制算法方面發(fā)揮主要作用。

　　使用微控制器或DSP實(shí)現電機控制算法的方法并不容易擴展到多個(gè)以獨立速度運行的電機(多軸電機控制)，美高森美SmartFusion2SoCFPGA可以使用單一器件來(lái)實(shí)現集成且完整的多軸電機驅動(dòng)控制(圖2)。

　　圖2：美高森美SmartFusion2SoCFPGA使用單一器件來(lái)實(shí)現完整的多軸電機驅動(dòng)控制。

　　控制方面可以分為兩個(gè)部分。一個(gè)部分用于運行磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法、速度控制、電流控制、速度估計、位置估計和PWM生成;另一個(gè)部分則包括速度曲線(xiàn)、負載特性、過(guò)程控制和保護(故障和報警)。執行FOC算法屬于時(shí)間關(guān)鍵型，需要在極高的采樣速率下進(jìn)行(在微秒范圍)，特別是針對具有低定子電感的高速電機。這使得在FPGA中實(shí)現FOC算法變得更優(yōu)越。過(guò)程控制、速度曲線(xiàn)和其他保護無(wú)需快速更新，因而能夠以較低的采樣速率執行(在毫秒范圍)，并且能夠在內置Cortex-M3子系統中進(jìn)行編程。

　　晶體管開(kāi)關(guān)周期在驅動(dòng)中發(fā)揮著(zhù)重要的作用，如果FOC回路執行時(shí)間比開(kāi)關(guān)周期短得多，硬件模塊可以重用于計算第二個(gè)電機的電壓。這意味著(zhù)器件可以在相同的成本下提供更高的性能。

　　圖3：永磁同步電機的磁場(chǎng)定向控制(FOC)框圖。

　　(1)電機控制IP模塊。圖3為無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制算法，這一部分將會(huì )討論這些模塊，它們作為IP核提供。

　　●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，它具有兩個(gè)用于控制控制器動(dòng)態(tài)響應的可調增益參數—比例和積分增益常數。PI控制器的比例分量是比例增益常數和誤差輸入的乘積，而積分分量是累積誤差和積分增益常數的乘積。這兩個(gè)分量被加在了一起。PI控制器的積分階段可能在系統中引起不穩定，因為數據值不受控制地增加。這種不受控制的數據上升稱(chēng)作積分飽卷，所有的PI控制器實(shí)現方案都包括一個(gè)抗飽卷機制，用于確?？刂破鬏敵鍪怯邢薜?。美高森美的PI控制器IP模塊使用hold-on-saturation(保持飽和)算法用于抗飽卷。這個(gè)模塊還提供附加特性以設置最初的輸出值。

　　●磁場(chǎng)定向控制(FOC)。FOC是通過(guò)獨立地確定和控制轉矩和磁化電流分量來(lái)為電機提供最優(yōu)電流的算法。在永磁同步電機(PMSM)中，轉子已經(jīng)磁化。因此，為電機提供的電流只用于轉矩。FOC是計算密集型算法，但是美高森美電機控制參考設計已經(jīng)針對器件資源的最優(yōu)使用而構建。FOC算法包括Clarke、Park、逆Clarke和逆Park變換。

　　●角度估計。FOC的一個(gè)輸入是轉子角度。精確確定轉子角度對于確保低功耗是必不可少的。增添確定位置和速度的物理傳感器會(huì )增加系統的成本并降低可靠性。無(wú)傳感器算法有助于消除傳感器，但是增加了計算復雜性。美高森美針對無(wú)傳感器控制提供了兩個(gè)角度計算算法IP模塊—一個(gè)基于Luenberger觀(guān)測器，另一個(gè)基于直接反電動(dòng)勢計算。該公司還提供基于霍爾傳感器和編碼器的單獨參考設計。

　　●PLL。PLL用于同步信號，在多個(gè)應用中有用，例如逆變器的角度估計和電網(wǎng)同步。

　　●速率限制器。速率限制器模塊可以實(shí)現系統變量或輸入的平滑改變。例如，在電機控制系統中，如果電機所需的速度突然改變，系統可能變得不穩定。為了避免此類(lèi)情形，速率限制器模塊用于從初始速度轉變到所需的速度。速率限制器模塊可以進(jìn)行配置以控制改變的速率。

　　●空間矢量調制?？臻g矢量調制模塊改善了直流總線(xiàn)利用率，并消除了晶體管開(kāi)關(guān)的短脈沖。因為晶體管開(kāi)啟/關(guān)斷時(shí)間比脈沖持續時(shí)間長(cháng)，短脈沖會(huì )導致不正確的開(kāi)關(guān)行為。

　　●三相PWM生成。在所有計算的最后，可以得到三相電機電壓。這些電壓用于生成逆變器中晶體管的開(kāi)關(guān)信號。PWM模塊為六個(gè)(三個(gè)高側和三個(gè)低側)晶體管產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號，并且具有死區時(shí)間和延遲時(shí)間插入等先進(jìn)特性?？删幊痰乃绤^時(shí)間插入特性有助于避免逆變器引腳上的災難性短路情況?？删幊痰难舆t時(shí)間插入特性使ADC測量與PWM信號生成能夠同步。該模塊可以配置成與僅由N-MOSFET組成的逆變器或同時(shí)包括N-MOSFET和P-MOSFET的逆變器一起工作。

　　(2)在SoC中調試FPGA設計。通常，在微控制器上調試設計比在FPGA上進(jìn)行調試相對簡(jiǎn)單一些。在SoC中，可以利用FPGA的高性能，同時(shí)保持在微控制器中更快速調試的優(yōu)勢。美高森美SmartFusion2SoCFPGA中的微控制器子系統和FPGA架構可以通過(guò)AMBAAPB或AXI總線(xiàn)彼此進(jìn)行通信。這樣可以把測試數據注入FPGA架構中，或者從FPGA架構中記錄調試數據，從而幫助實(shí)現運行時(shí)間的內部數據可視化，用于實(shí)時(shí)調試。固件代碼可以單步運行，在代碼中可以設置斷點(diǎn)來(lái)分析FPGA寄存器數據。

　　基于SmartFusion2SoCFPGA的多軸電機控制解決方案通過(guò)USB連接至主機PC，并與圖形用戶(hù)界面(GUI)通信，進(jìn)行啟動(dòng)/停止電機，設置電機速度值和其他系統參數，描繪多達四個(gè)系統變量，例如電機速度、電機電流和轉子角度(圖4)。

　　圖4：GUI的屏幕截圖—繪制內部參數：轉子角度(綠色)、Valpha(紅色)、Vbeta(黑色)、電機速度(藍色)。

　　(3)生態(tài)系統。美高森美提供一組豐富的IP庫，包括前面討論過(guò)的數種電機控制功能。這些模塊可以輕易定制，并可以在美高森美器件中移植。使用LiberoSoC軟件的SmartDesign工具，這些模塊可以采用圖形方式配置和連接在一起。借助于這些IP模塊，設計人員能夠顯著(zhù)減少在FPGA中實(shí)現電機控制算法所需的時(shí)間。

　　這些IP模塊已在以高達30,000r/min轉速和200kHz開(kāi)關(guān)頻率運行的電機上進(jìn)行了測試。

　　工業(yè)通信協(xié)議

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展趨勢是通過(guò)使用更快的網(wǎng)絡(luò )通信替代點(diǎn)至點(diǎn)通信。實(shí)現此類(lèi)高速通信需要支持更高的帶寬，這對于同時(shí)處理電機控制算法的微控制器或DSP來(lái)說(shuō)并不容易。在大多數情況下，會(huì )使用一個(gè)附加的微控制器或FPGA來(lái)處理與每個(gè)電機控制器的通信。通常使用的基于以太網(wǎng)的協(xié)議有PROFINET、EtherNet/IP和EtherCAT標準，這些標準仍然在演進(jìn)。其他的協(xié)議包括了CAN和Modbus。在這種情況下使用SoC的優(yōu)勢，是在單一FPGA平臺上支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標準。

　　根據終端系統目標，可以通過(guò)重用IP和協(xié)議棧(用于通信)來(lái)優(yōu)化系統的成本，或者通過(guò)仔細地在硬件(FPGA)和軟件(ARMCortex-M3子系統)中劃分功能來(lái)優(yōu)化性能。

　　美高森美的SmartFusion2FPGA具有內置CAN、高速USB和千兆以太網(wǎng)模塊作為微控制器子系統的一部分。高速SERDES模塊用于實(shí)現涉及串行數據傳送的協(xié)議。

　　安全性

　　SmartFusion2SoCFPGA器件具有數項設計和數據安全特性。DPA認證反篡改保護和加密特性等設計安全特性能夠幫助保護客戶(hù)的知識產(chǎn)權。SoCFPGA器件還包括數據安全特性，例如ECC硬件加速器、AES-128/256和SHA-256服務(wù)。對于數據安全性，可以使用EnforcITIPSuite和CodeSEAL軟件安全構件，EnforcITIP包括一套可定制內核(作為網(wǎng)表)，有效地將安全層移到硬件中。CodeSEAL將對策注入到固件中，可以獨立地使用，或者用作EnforcIT的提升。

　　實(shí)現協(xié)議的靈活性可讓設計人員使用多個(gè)安全層來(lái)認證從中央監控控制器進(jìn)入的信息。

　　可靠性

　　在多個(gè)市場(chǎng)中安全標準的增長(cháng)推動(dòng)了高可靠性的需求，SmartFusion2經(jīng)設計滿(mǎn)足高可用性、安全關(guān)鍵型和任務(wù)關(guān)鍵型系統的需求，以下是SmartFusion2SoCFPGA提供的某些可靠性特性。

　　(1)單粒子翻轉(SEU)免疫零FIT率配置。高可靠性運作需要SEU免疫零FIT率FPGA配置，SmartFusion2架構具有不受α或中子輻射的免疫能力，因為它使用閃存來(lái)配置路由矩陣和邏輯模塊中使用的晶體管?；赟RAM的FPGA在海平面上的FIT(時(shí)間失效)率可能為1k～4k，在高于海平面5,000英尺的位置會(huì )高得多。高可靠性應用可接受的FIT率低于20，這使得SmartFusion2最適合這些應用。

　　(2)EDAC保護。SmartFusion2器件具有錯誤檢測與校正(EDAC)控制器，可防止在微控制器子系統(MSS)存儲器中發(fā)生的單粒子翻轉錯誤。

　　(3)無(wú)外部配置器件。在具有大量FPGA的復雜系統中，使用外部配置器件會(huì )降低可靠性。在上電時(shí)，FPGA需花費時(shí)間來(lái)進(jìn)行配置，這在使用多個(gè)FPGA器件的應用中帶來(lái)了設計復雜性。SmartFusion2SoCFPGA在器件內部包含了配置存儲器，它提供了在器件一上電時(shí)就開(kāi)啟的附加優(yōu)勢。

　　(4)軍用溫度級器件。SmartFusion2SoCFPGA器件針對軍用溫度條件進(jìn)行了全面測試。軍用級器件具有10k和150k邏輯單元，并具有允許訪(fǎng)問(wèn)密碼加速器的安全特性和數據安全特性。

　　總結

　　美高森美SmartFusion2SoCFPGA使用經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化的電機控制IP模塊和經(jīng)過(guò)驗證的參考設計，提供了數種降低工業(yè)設計TCO的特性。從微控制器遷移的客戶(hù)將能夠重用某些舊代碼，而FPGA設計人員將能夠利用FPGA架構和ARMCortex-M3子系統來(lái)創(chuàng )建一個(gè)高效的架構，允許電機控制模塊和通信模塊同時(shí)駐留在單一器件中。ARMCortex-M3微控制器子系統的存在，可以實(shí)現靈活的設計和智能分區，而針對性能和成本做優(yōu)化。微控制器子系統還可以在運行時(shí)間中注入和記錄數據，加速調試FPGA設計。SmartFusion2平臺還提供了實(shí)現工業(yè)通信協(xié)議的廣泛選項。它同時(shí)提供用于設計和數據安全的多項安全特性，還提供了滿(mǎn)足高可靠性需求的特性。SmartFusion2系列器件備有強大的生態(tài)系統支持，能夠幫助客戶(hù)以最低TCO來(lái)開(kāi)發(fā)工業(yè)解決方案。