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今天的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)市場為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了比以往更多的選擇。在交流方面，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供了高度靈活的解決方案，具有越來越多的功能，如變速控制。這些器件具有啟動(dòng)時(shí)的低功率需求、受控加速、可調(diào)節(jié)運(yùn)行速度、受控啟動(dòng)電流、可調(diào)節(jié)扭矩限制和減少電源線干擾。
交流電機(jī)有兩種一般類型。第一種是交流電機(jī)，它使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)與供電電流的頻率同步。這使得速度在變化的負(fù)載下保持恒定，使這些電機(jī)成為驅(qū)動(dòng)設(shè)備的理想選擇。設(shè)計(jì)人員通常在需要高精度定位的應(yīng)用中使用同步交流電機(jī)，例如機(jī)器人、儀器儀表、機(jī)器和過程控制。
今天使用的更常見的交流電機(jī)是感應(yīng)或異步類型。這些電機(jī)利用來自定子繞組磁場的電磁感應(yīng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電流，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種負(fù)載能力可用于廣泛的應(yīng)用。
這些設(shè)備有單相和三相兩種版本。單相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)廣泛用于家用電器等較小的負(fù)載。三相感應(yīng)電機(jī)用于更高容量的工業(yè)應(yīng)用，例如壓縮機(jī)、泵、輸送系統(tǒng)和起重裝置。
工業(yè)用直流電機(jī)
在工業(yè)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員通常使用有刷直流、無刷直流 (BLDC)、步進(jìn)或伺服電機(jī)。每種類型的電機(jī)都有其自身的權(quán)衡。
有刷直流電機(jī)提供了一種簡單、低成本的選擇。它們支持的速度與施加的電壓成線性關(guān)系，因此它們可以與簡單的電機(jī)控制解決方案一起使用。另一方面，有刷直流電機(jī)通常需要相對(duì)較高的維護(hù)水平，并且由于必須承受物理磨損，使用壽命相對(duì)較短。
BLDC 電機(jī)也是一種高效的選擇。通過用電子換向取代有刷直流電機(jī)中的傳統(tǒng)機(jī)械裝置，在與傳統(tǒng)直流電機(jī)相同的速度和負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，它們的效率提高了 20% 到 30%。這使設(shè)計(jì)人員可以針對(duì)給定的功率輸出使用更小、更輕、更安靜的 BLDC 電機(jī)。不幸的是，在許多應(yīng)用中，這些電機(jī)需要更復(fù)雜且通常更昂貴的電機(jī)控制解決方案。
伺服電機(jī)采用閉環(huán)機(jī)制，使用位置反饋來控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和位置。電機(jī)通常與某種類型的編碼器配對(duì)，以提供位置和速度反饋。恒定反饋消除了失速的可能性，并允許電機(jī)糾正任何定位差異。
步進(jìn)電機(jī)是無刷直流電機(jī)，以離散和相等的步長移動(dòng)。無需任何位置傳感器進(jìn)行反饋，即可引導(dǎo)電機(jī)在任何步驟移動(dòng)或保持其位置。步進(jìn)電機(jī)比伺服電機(jī)使用更多的磁極。對(duì)于尋求具有高精度控制和強(qiáng)大低速扭矩的電機(jī)的設(shè)計(jì)人員來說，步進(jìn)電機(jī)提供了最佳選擇。步進(jìn)電機(jī)還具有較長的生命周期。
但高精度是有代價(jià)的。步進(jìn)電機(jī)是效率相對(duì)較低的電機(jī)，容易產(chǎn)生共振、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。使用這種電機(jī)類型的設(shè)計(jì)人員還必須記住，他們不能快速加速負(fù)載。在許多情況下，步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在電機(jī)控制應(yīng)用中與 FPGA 一起使用時(shí)可為設(shè)計(jì)人員提供顯著優(yōu)勢。
FPGA 輔助電機(jī)控制
步進(jìn)和伺服控制驅(qū)動(dòng)器根據(jù)特定需求量身定制。伺服控制驅(qū)動(dòng)器非常適合涉及動(dòng)態(tài)負(fù)載變化的高速、高扭矩應(yīng)用。另一方面，步進(jìn)控制系統(tǒng)的成本要低得多，并且最適合需要中低加速度、高保持扭矩以及在開環(huán)或閉環(huán)中運(yùn)行的靈活性的應(yīng)用。表 1 比較了步進(jìn)和伺服控制驅(qū)動(dòng)器的可用特性。
表 1：步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的特性比較。
通常，基于 FPGA 的電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器用于替代 MCU 和 DSP 替代品。表 2 比較了基于 MCU/DSP 模塊與 FPGA 的電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，并強(qiáng)調(diào)了 FPGA 提供的優(yōu)勢，包括使用定制脈寬調(diào)制 (PWM) 的能力、更容易的組件集成、更少的組件、更高的控制環(huán)路帶寬、和更高的可靠性。
通過使用帶有定制 IP 的 FPGA，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)他們的需求高效地創(chuàng)建電機(jī)控制解決方案并確保確定性行為。他們還可以開發(fā)解決方案，降低電機(jī)和電源轉(zhuǎn)換器的損耗，同時(shí)優(yōu)化直流母線的電壓利用率。此外，采用這種方法的設(shè)計(jì)人員可以定制以前固定的通用硬件，同時(shí)在高調(diào)制指數(shù)下將總諧波失真 (THD) 降低近 50%。
表 2：基于 MCU/DSP 和 FPGA 的電機(jī)控制解決方案的比較。
設(shè)計(jì)人員如何知道應(yīng)用程序是否可以從基于 FPGA 的控制解決方案中受益?回答幾個(gè)基本問題是第一步。設(shè)計(jì)師使用什么設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?應(yīng)用程序必須移動(dòng)的負(fù)載是多少?電機(jī)需要以什么速度運(yùn)行?負(fù)載在整個(gè)移動(dòng)過程中是否變化?應(yīng)用程序是否需要任何特殊功能，例如扭矩限制?最后，設(shè)計(jì)和功率預(yù)算有多大?
框圖(圖 1)說明了 DVE 的工程師如何為舞臺(tái)照明應(yīng)用開發(fā)電機(jī)控制解決方案，該應(yīng)用必須在單個(gè)模塊中同時(shí)同步多達(dá)八個(gè)舞臺(tái)燈光。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)知道他們需要一種能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)多達(dá) 8 個(gè)兩相或三相步進(jìn)電機(jī)的低成本電機(jī)控制解決方案。
該設(shè)計(jì)要求 32 位處理器或 DSP 以 100 MHz 運(yùn)行，并帶有附加邏輯。其次，由于所需的同步和確定性系統(tǒng)要求，它要求進(jìn)行仔細(xì)的軟件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)還需要支持每個(gè)電機(jī)的編碼器接口，以實(shí)現(xiàn)精確的位置確定。
設(shè)計(jì)案例研究
為了滿足這些需求，設(shè)計(jì)人員使用了萊迪思半導(dǎo)體的 MachXO2-7000 FPGA。具有高達(dá) 256 Kb 的集成閃存和 240 Kb 的嵌入式 RAM，這確保了 FPGA 可以在不到一毫秒的時(shí)間內(nèi)自行啟動(dòng)。全部在一個(gè)芯片中，該設(shè)計(jì)包括一個(gè)運(yùn)行頻率為 50 MHz 的 32 位微控制器，具有 20 KB 的代碼和 4 KB 的數(shù)據(jù)空間、一個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口、一個(gè)電機(jī)控制算法和反饋編碼器。
此外，集成啟動(dòng)閃存消除了對(duì)外部啟動(dòng)閃存的需求，并確保了快速啟動(dòng)過程。由于 FPGA 的并行架構(gòu)，可以簡單地復(fù)制功能塊而不犧牲確定性行為。
圖 1：DVE 采用單芯片 FPGA 設(shè)計(jì)的電機(jī)控制解決方案。
DVE 的電機(jī)控制解決方案支持用于控制脈寬調(diào)制和反電動(dòng)勢檢測技術(shù)的空間矢量調(diào)制算法。它還具有 REDBUS 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口，允許 100 Mbps 的數(shù)據(jù)交換和多個(gè)板的互連，而無需以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備。
展望未來，伺服電機(jī)控制應(yīng)用通常需要一個(gè)反饋回路，其中傳感器可以確定電機(jī)的位置、運(yùn)行速度以及施加的扭矩。對(duì)于這些應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員將需要具有集成 DSP 模塊的 FPGA 來執(zhí)行反饋環(huán)路功能。具有嵌入式 DSP 模塊的新一代低密度 FPGA 可以提供比傳統(tǒng)選項(xiàng)更高效的解決方案。
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