基于SoC FPGA進行工業(yè)設(shè)計及電機控制

　　引言

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

　　工業(yè)市場的近期發(fā)展推動了對具有高集成度、高性能、低功耗FPGA器件的需求。設(shè)計人員更喜歡網(wǎng)絡(luò)通信而不是點對點通信，這意味著可能需要額外的控制器用于通信，進而間接增加了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(shè)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。通過考慮系統(tǒng)級因素有可能最大限度地減少總體擁有成本，從而帶來可持續(xù)的長期盈利能力。

　　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，能夠在沒有冷卻風(fēng)扇的極端條件下可靠地運行。SmartFusion2 SoC FPGA架構(gòu)將一個硬核ARM Cortex-M3 IP與FPGA架構(gòu)相集成，可以實現(xiàn)更大的設(shè)計靈活性和更快的上市時間。美高森美為電機控制算法開發(fā)提供了具有多個多軸電機控制參考設(shè)計和IP的生態(tài)系統(tǒng)，使由多處理器解決方案轉(zhuǎn)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(tǒng)TCO的一些因素。

　　(1)長壽命周期。FPGA可以在現(xiàn)場部署之后進行重新編程，這延長了產(chǎn)品的壽命周期，從而使設(shè)計人員能夠?qū)Ｗ⒂谛庐a(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)更快的上市時間。

　　(2)BOM.美高森美基于閃存技術(shù)的FPGA在上電時無需啟動PROM或閃存MCU來加載FPGA,它們是零級非易失性/即時啟動器件。與基于SRAM的FPGA器件不同，美高森美基于閃存的FPGA無需附加上電監(jiān)控器，這是因為閃存開關(guān)不會隨電壓而改變。

　　(3)上市時間。OEM廠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間。經(jīng)過驗證的IP模塊可大幅縮短設(shè)計時間。目前已經(jīng)可以提供多個構(gòu)建工業(yè)解決方案所需的IP模塊，同時更多的模塊正在開發(fā)中。SoC表現(xiàn)出的另一個獨特優(yōu)勢是可以用于調(diào)試FPGA設(shè)計。為了調(diào)試FPGA設(shè)計，可以通過用于調(diào)試的高速接口，利用微控制器子系統(tǒng)從FPGA中提取信息。

　　(4)工程工具成本。與FPGA開發(fā)工具昂貴的概念相反，美高森美提供用于FPGA開發(fā)的免費Libero SoC IDE,僅在開發(fā)高端器件時才需要付費。

　　工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)

　　工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)由一個電機控制器件和一個通信器件構(gòu)成，電機控制器件包含了驅(qū)動逆變器的邏輯和保護邏輯，通信器件則使監(jiān)控控制能夠?qū)\行時間參數(shù)進行初始化和修改。

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　　圖1:典型工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)。

　　在典型的驅(qū)動系統(tǒng)(圖1)中，可能使用多個控制器器件來實現(xiàn)驅(qū)動邏輯。一個器件可能執(zhí)行與電機控制算法相關(guān)的計算，第二個器件可能運行與通信相關(guān)的任務(wù)，第三個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(tǒng)上，工業(yè)電機控制應(yīng)用使用微控制器或DSP來運行電機控制所需的復(fù)雜算法，在大多數(shù)傳統(tǒng)的工業(yè)驅(qū)動中，F(xiàn)PGA與微控制器或DSP一起使用，用于數(shù)據(jù)采集和快速作用保護。除了數(shù)據(jù)采集、PWM生成和保護邏輯，F(xiàn)PGA傳統(tǒng)上并未在實現(xiàn)電機控制算法方面發(fā)揮主要作用。

　　使用微控制器或DSP實現(xiàn)電機控制算法的方法并不容易擴展到多個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實現(xiàn)集成且完整的多軸電機驅(qū)動控制(圖2)。

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　　圖2:美高森美SmartFusion2 SoC FPGA使用單一器件來實現(xiàn)完整的多軸電機驅(qū)動控制。

　　控制方面可以分為兩個部分。一個部分用于運行磁場定向控制(FOC)算法、速度控制、電流控制、速度估計、位置估計和PWM生成;另一個部分則包括速度曲線、負載特性、過程控制和保護(故障和報警)。執(zhí)行FOC算法屬于時間關(guān)鍵型，需要在極高的采樣速率下進行(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中實現(xiàn)FOC算法變得更優(yōu)越。過程控制、速度曲線和其他保護無需快速更新，因而能夠以較低的采樣速率執(zhí)行(在毫秒范圍)，并且能夠在內(nèi)置Cortex-M3子系統(tǒng)中進行編程。

　　晶體管開關(guān)周期在驅(qū)動中發(fā)揮著重要的作用，如果FOC回路執(zhí)行時間比開關(guān)周期短得多，硬件模塊可以重用于計算第二個電機的電壓。這意味著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定向控制(FOC)框圖。

　　(1)電機控制IP模塊。圖3為無傳感器磁場定向控制算法，這一部分將會討論這些模塊，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(tǒng)參數(shù)的反饋機制，它具有兩個用于控制控制器動態(tài)響應(yīng)的可調(diào)增益參數(shù)-比例和積分增益常數(shù)。PI控制器的比例分量是比例增益常數(shù)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(shù)的乘積。這兩個分量被加在了一起。PI控制器的積分階段可能在系統(tǒng)中引起不穩(wěn)定，因為數(shù)據(jù)值不受控制地增加。這種不受控制的數(shù)據(jù)上升稱作積分飽卷，所有的PI控制器實現(xiàn)方案都包括一個抗飽卷機制，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。這個模塊還提供附加特性以設(shè)置最初的輸出值。