基于SoC FPGA進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)及電機(jī)控制

　　● 磁場(chǎng)定向控制(FOC)。FOC是通過(guò)獨(dú)立地確定和控制轉(zhuǎn)矩和磁化電流分量來(lái)為電機(jī)提供最優(yōu)電流的算法。在永磁同步電機(jī)(PMSM)中，轉(zhuǎn)子已經(jīng)磁化。因此，為電機(jī)提供的電流只用于轉(zhuǎn)矩。FOC是計(jì)算密集型算法，但是美高森美電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)已經(jīng)針對(duì)器件資源的最優(yōu)使用而構(gòu)建。FOC算法包括Clarke、Park、逆Clarke和逆Park變換。

　　● 角度估計(jì)。FOC的一個(gè)輸入是轉(zhuǎn)子角度。精確確定轉(zhuǎn)子角度對(duì)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(tǒng)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(jì)算復(fù)雜性。美高森美針對(duì)無(wú)傳感器控制提供了兩個(gè)角度計(jì)算算法IP模塊-一個(gè)基于Luenberger觀測(cè)器，另一個(gè)基于直接反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算。該公司還提供基于霍爾傳感器和編碼器的單獨(dú)參考設(shè)計(jì)。

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

　　● 速率限制器。速率限制器模塊可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變量或輸入的平滑改變。例如，在電機(jī)控制系統(tǒng)中，如果電機(jī)所需的速度突然改變，系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。為了避免此類情形，速率限制器模塊用于從初始速度轉(zhuǎn)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(diào)制?？臻g矢量調(diào)制模塊改善了直流總線利用率，并消除了晶體管開關(guān)的短脈沖。因?yàn)榫w管開啟/關(guān)斷時(shí)間比脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，短脈沖會(huì)導(dǎo)致不正確的開關(guān)行為。

　　● 三相PWM生成。在所有計(jì)算的最后，可以得到三相電機(jī)電壓。這些電壓用于生成逆變器中晶體管的開關(guān)信號(hào)。PWM模塊為六個(gè)(三個(gè)高側(cè)和三個(gè)低側(cè))晶體管產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，并且具有死區(qū)時(shí)間和延遲時(shí)間插入等先進(jìn)特性?？删幊痰乃绤^(qū)時(shí)間插入特性有助于避免逆變器引腳上的災(zāi)難性短路情況?？删幊痰难舆t時(shí)間插入特性使ADC測(cè)量與PWM信號(hào)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(diào)試FPGA設(shè)計(jì)。通常，在微控制器上調(diào)試設(shè)計(jì)比在FPGA上進(jìn)行調(diào)試相對(duì)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(diào)試的優(yōu)勢(shì)。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA中的微控制器子系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)可以通過(guò)AMBA APB或AXI總線彼此進(jìn)行通信。這樣可以把測(cè)試數(shù)據(jù)注入FPGA架構(gòu)中，或者從FPGA架構(gòu)中記錄調(diào)試數(shù)據(jù)，從而幫助實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間的內(nèi)部數(shù)據(jù)可視化，用于實(shí)時(shí)調(diào)試。固件代碼可以單步運(yùn)行，在代碼中可以設(shè)置斷點(diǎn)來(lái)分析FPGA寄存器數(shù)據(jù)。

　　基于SmartFusion2 SoC FPGA的多軸電機(jī)控制解決方案通過(guò)USB連接至主機(jī)PC,并與圖形用戶界面(GUI)通信，進(jìn)行啟動(dòng)/停止電機(jī)，設(shè)置電機(jī)速度值和其他系統(tǒng)參數(shù)，描繪多達(dá)四個(gè)系統(tǒng)變量，例如電機(jī)速度、電機(jī)電流和轉(zhuǎn)子角度(圖4)。

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　　圖4:GUI的屏幕截圖-繪制內(nèi)部參數(shù)：轉(zhuǎn)子角度(綠色)、Valpha(紅色)、Vbeta(黑色)、電機(jī)速度(藍(lán)色)。

　　(3)生態(tài)系統(tǒng)。美高森美提供一組豐富的IP庫(kù)，包括前面討論過(guò)的數(shù)種電機(jī)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Libero SoC軟件的Smart Design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(shè)計(jì)人員能夠顯著減少在FPGA中實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法所需的時(shí)間。

　　這些IP模塊已在以高達(dá)30,000r/min轉(zhuǎn)速和200kHz開關(guān)頻率運(yùn)行的電機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試。

　　工業(yè)通信協(xié)議

　　工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)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(xiàn)此類高速通信需要支持更高的帶寬，這對(duì)于同時(shí)處理電機(jī)控制算法的微控制器或DSP來(lái)說(shuō)并不容易。在大多數(shù)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)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(shì)，是在單一FPGA平臺(tái)上支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

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

　　美高森美的SmartFusion2 FPGA具有內(nèi)置CAN、高速USB和千兆以太網(wǎng)模塊作為微控制器子系統(tǒng)的一部分。高速SERDES模塊用于實(shí)現(xiàn)涉及串行數(shù)據(jù)傳送的協(xié)議。

　　安全性

　　SmartFusion2 SoC FPGA器件具有數(shù)項(xiàng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)安全特性。DPA認(rèn)證反篡改保護(hù)和加密特性等設(shè)計(jì)安全特性能夠幫助保護(hù)客戶的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。SoC FPGA器件還包括數(shù)據(jù)安全特性，例如ECC硬件加速器、AES-128/256和SHA-256服務(wù)。對(duì)于數(shù)據(jù)安全性，可以使用EnforcIT IP Suite和CodeSEAL軟件安全構(gòu)件，EnforcIT IP包括一套可定制內(nèi)核(作為網(wǎng)表)，有效地將安全層移到硬件中。CodeSEAL將對(duì)策注入到固件中，可以獨(dú)立地使用，或者用作EnforcIT的提升。

　　實(shí)現(xiàn)協(xié)議的靈活性可讓設(shè)計(jì)人員使用多個(gè)安全層來(lái)認(rèn)證從中央監(jiān)控控制器進(jìn)入的信息。

　　可靠性

　　在多個(gè)市場(chǎng)中安全標(biāo)準(zhǔn)的增長(zhǎng)推動(dòng)了高可靠性的需求，SmartFusion2經(jīng)設(shè)計(jì)滿足高可用性、安全關(guān)鍵型和任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)的需求，以下是SmartFusion2 SoC FPGA提供的某些可靠性特性。

　　(1)單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)免疫零FIT率配置。高可靠性運(yùn)作需要SEU免疫零FIT率FPGA配置，SmartFusion2架構(gòu)具有不受α或中子輻射的免疫能力，因?yàn)樗褂瞄W存來(lái)配置路由矩陣和邏輯模塊中使用的晶體管。基于SRAM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(yīng)用可接受的FIT率低于20,這使得SmartFusion2最適合這些應(yīng)用。

　　(2)EDAC保護(hù)。SmartFusion2器件具有錯(cuò)誤檢測(cè)與校正(EDAC)控制器，可防止在微控制器子系統(tǒng)(MSS)存儲(chǔ)器中發(fā)生的單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。

　　(3)無(wú)外部配置器件。在具有大量FPGA的復(fù)雜系統(tǒng)中，使用外部配置器件會(huì)降低可靠性。在上電時(shí)，F(xiàn)PGA需花費(fèi)時(shí)間來(lái)進(jìn)行配置，這在使用多個(gè)FPGA器件的應(yīng)用中帶來(lái)了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。SmartFusion2 SoC FPGA在器件內(nèi)部包含了配置存儲(chǔ)器，它提供了在器件一上電時(shí)就開啟的附加優(yōu)勢(shì)。

　　(4)軍用溫度級(jí)器件。SmartFusion2 SoC FPGA器件針對(duì)軍用溫度條件進(jìn)行了全面測(cè)試。軍用級(jí)器件具有10k和150k邏輯單元，并具有允許訪問(wèn)密碼加速器的安全特性和數(shù)據(jù)安全特性。

　　總結(jié)

　　美高森美SmartFusion2 SoC FPGA使用經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化的電機(jī)控制IP模塊和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)，提供了數(shù)種降低工業(yè)設(shè)計(jì)TCO的特性。從微控制器遷移的客戶將能夠重用某些舊代碼，而FPGA設(shè)計(jì)人員將能夠利用FPGA架構(gòu)和ARM Cortex-M3子系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)高效的架構(gòu)，允許電機(jī)控制模塊和通信模塊同時(shí)駐留在單一器件中。ARM Cortex-M3微控制器子系統(tǒng)的存在，可以實(shí)現(xiàn)靈活的設(shè)計(jì)和智能分區(qū)，而針對(duì)性能和成本做優(yōu)化。微控制器子系統(tǒng)還可以在運(yùn)行時(shí)間中注入和記錄數(shù)據(jù)，加速調(diào)試FPGA設(shè)計(jì)。SmartFusion2平臺(tái)還提供了實(shí)現(xiàn)工業(yè)通信協(xié)議的廣泛選項(xiàng)。它同時(shí)提供用于設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)安全的多項(xiàng)安全特性，還提供了滿足高可靠性需求的特性。SmartFusion2系列器件備有強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)支持，能夠幫助客戶以最低TCO來(lái)開發(fā)工業(yè)解決方案。