利用SoC FPGA的工業(yè)設(shè)計(jì)和電機(jī)控制

在工業(yè)系統(tǒng)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(xiàn)有IP/程序庫(kù)的可能性、現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)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(duì)具有高集成度、高性能、低功耗FPGA器件的需求。設(shè)計(jì)人員更喜歡網(wǎng)絡(luò)通信而不是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，這意味著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(fèi)用）成本。

總體擁有成本用于分析和估計(jì)購(gòu)置的壽命周期成本，它是所有與設(shè)計(jì)相關(guān)的直接和間接成本的擴(kuò)展集，包括工程技術(shù)成本、安裝和維護(hù)成本、材料清單（BOM）成本和NRE（研發(fā)）成本等。通過(guò)考慮系統(tǒng)級(jí)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(xù)的長(zhǎng)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(yùn)行。SmartFusion2 SoC FPGA架構(gòu)將一個(gè)硬核ARM Cortex-M3 IP與FPGA架構(gòu)相集成，可以實(shí)現(xiàn)更大的設(shè)計(jì)靈活性和更快的上市時(shí)間。美高森美為電機(jī)控制算法開(kāi)發(fā)提供了具有多個(gè)多軸電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)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(zhǎng)壽命周期。FPGA可以在現(xiàn)場(chǎng)部署之后進(jìn)行重新編程，這延長(zhǎng)了產(chǎn)品的壽命周期，從而使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)Ｗ⒂谛庐a(chǎn)品開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)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(jí)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(jiān)控器，這是因?yàn)殚W存開(kāi)關(guān)不會(huì)隨電壓而改變。

（3）上市時(shí)間。OEM廠商之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)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(yàn)證的IP模塊可大幅縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。目前已經(jīng)可以提供多個(gè)構(gòu)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(xiàn)出的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是可以用于調(diào)試FPGA設(shè)計(jì)。為了調(diào)試FPGA設(shè)計(jì)，可以通過(guò)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(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(fèi)Libero SoC IDE，僅在開(kāi)發(fā)高端器件時(shí)才需要付費(fèi)。

工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一個(gè)電機(jī)控制器件和一個(gè)通信器件構(gòu)成，電機(jī)控制器件包含了驅(qū)動(dòng)逆變器的邏輯和保護(hù)邏輯，通信器件則使監(jiān)控控制能夠?qū)\(yùn)行時(shí)間參數(shù)進(jìn)行初始化和修改。

圖1：典型工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

在典型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（圖1）中，可能使用多個(gè)控制器器件來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)邏輯。一個(gè)器件可能執(zhí)行與電機(jī)控制算法相關(guān)的計(jì)算，第二個(gè)器件可能運(yùn)行與通信相關(guān)的任務(wù)，第三個(gè)器件則可能運(yùn)行與安全性相關(guān)的任務(wù)。

多軸電機(jī)控制

傳統(tǒng)上，工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用使用微控制器或DSP來(lái)運(yùn)行電機(jī)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(dòng)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(hù)。除了數(shù)據(jù)采集、PWM生成和保護(hù)邏輯，F(xiàn)PGA傳統(tǒng)上并未在實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法方面發(fā)揮主要作用。

使用微控制器或DSP實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法的方法并不容易擴(kuò)展到多個(gè)以獨(dú)立速度運(yùn)行的電機(jī)（多軸電機(jī)控制），美高森美SmartFusion2 SoC FPGA可以使用單一器件來(lái)實(shí)現(xiàn)集成且完整的多軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制（圖2）。

圖2：美高森美SmartFusion2 SoC FPGA使用單一器件來(lái)實(shí)現(xiàn)完整的多軸電機(jī)驅(qū)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(yùn)行磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法、速度控制、電流控制、速度估計(jì)、位置估計(jì)和PWM生成；另一個(gè)部分則包括速度曲線、負(fù)載特性、過(guò)程控制和保護(hù)（故障和報(bào)警）。執(zhí)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(duì)具有低定子電感的高速電機(jī)。這使得在FPGA中實(shí)現(xiàn)FOC算法變得更優(yōu)越。過(guò)程控制、速度曲線和其他保護(hù)無(wú)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(jìn)行編程。

晶體管開(kāi)關(guān)周期在驅(qū)動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用，如果FOC回路執(zhí)行時(shí)間比開(kāi)關(guān)周期短得多，硬件模塊可以重用于計(jì)算第二個(gè)電機(jī)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。

圖3：永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制（FOC）框圖。

（1）電機(jī)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(tǒng)參數(shù)的反饋機(jī)制，它具有兩個(gè)用于控制控制器動(dòng)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(gè)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?yàn)閿?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(shí)現(xiàn)方案都包括一個(gè)抗飽卷機(jī)制，用于確?？刂破鬏敵鍪怯邢薜摹Ｃ栏呱赖腜I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(shè)置最初的輸出值。

●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(kāi)關(guān)的短脈沖。因?yàn)榫w管開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。可編程的死區(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)。