基于SoC FPGA進(jìn)行工業(yè)設計及電機控制

　　引言

　　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ARM Cortex-M3微控制器和IP集成的SmartFusion2 SoC FPGA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。SmartFusion2 SoC FPGA架構將一個(gè)硬核ARM Cortex-M3 IP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SoC FPGA)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Libero SoC IDE,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。

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　　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SmartFusion2 SoC FPGA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)。

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　　圖2:美高森美SmartFusion2 SoC FPGA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。

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　　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。