基于SoC FPGA的工業(yè)和馬達(dá)控制方案設(shè)計(jì)

工業(yè)系統(tǒng)通常由微控制器和 FPGA器件等組成，美高森美(Microsemi )基于 SmartFusion2 SoC FPGA的馬達(dá)控制解決方案是使用高集成度器件為工業(yè)設(shè)計(jì)帶來(lái)更多優(yōu)勢(shì)的一個(gè)范例。本白皮書(shū)重點(diǎn)探討用于工業(yè)系統(tǒng)的SmartFusion2系列器件的特性，以及這款器件在TCO(總體擁有成本)概念上比傳統(tǒng)架構(gòu)好的方面。

工業(yè)市場(chǎng)的最新發(fā)展一直在推動(dòng)對(duì)高集成度的高性能、低功耗FPGA器件的需求，設(shè)計(jì)人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的偏好超過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，這意味著通信應(yīng)用可能需要額外的控制器，間接地增大了材料清單(BOM)成本、電路板尺寸，以及相關(guān)的一次性工程(NRE)費(fèi)用。TCO是用于分析和評(píng)估的生命周期成本的概念，它是與設(shè)計(jì)相關(guān)的所有直接和間接成本的擴(kuò)展。這些成本包括工程成本、安裝和維護(hù)成本、BOM、NRE (RD)成本及其它，也可能通過(guò)考慮系統(tǒng)級(jí)因素來(lái)實(shí)現(xiàn)TCO最小化，從而帶來(lái)可持續(xù)的長(zhǎng)期贏利能力。

美高森美提供具有ARM Cortex-M3微控制器硬核、IP集成，以及成本優(yōu)化封裝，并且具有更小BOM清單和電路板尺寸的SmartFusion2 SoC FPGA器件。憑借低功耗特性和寬工作溫度范圍，這些器件能夠在極端條件下可靠工作，且無(wú)需風(fēng)扇冷卻。通過(guò)集成ARM Cortex-M3 IP 和 FPGA fabric，還可以實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)靈活性和更快的上市速度。美高森美能夠提供多軸馬達(dá)控制的多種參考設(shè)計(jì)和IP生態(tài)系統(tǒng)，用于開(kāi)發(fā)馬達(dá)控制算法，從而簡(jiǎn)化從多處理器解決方案向單一器件解決方案，即向SoC FPGA器件的轉(zhuǎn)變。

TCO影響因素

以下是影響系統(tǒng)TCO的一些因素。

1. 長(zhǎng)生命周期

FPGA器件可以重新編程，即使部署在現(xiàn)場(chǎng)中也不例外，這樣可以延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期，允許設(shè)計(jì)人員集中精力以更快的速度開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。

2. BOM

美高森美基于flash 的FPGA器件無(wú)需導(dǎo)引PROM或flash MCU在FPGA上電時(shí)載入數(shù)據(jù)，它們是零級(jí)(level zero)非易失性/即時(shí)開(kāi)啟器件。與基于SRAM的FPGA器件不同，由于flash開(kāi)關(guān)不會(huì)發(fā)生電壓下降(brown out)，美高森美基于flash的FPGA器件無(wú)需額外的上電監(jiān)控器。

3. 上市時(shí)間

OEM廠商之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)要求設(shè)計(jì)具有更多的產(chǎn)品差異化和更快的上市速度，提供多款經(jīng)過(guò)測(cè)試的IP模塊可以大幅減少設(shè)計(jì)時(shí)間。市場(chǎng)已有多款構(gòu)建工業(yè)解決方案所需的IP模塊，同時(shí)，還有多款I(lǐng)P模塊正在開(kāi)發(fā)之中。SoC方案提供的另一項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是調(diào)試FPGA設(shè)計(jì)，為了調(diào)試FPGA設(shè)計(jì)，可經(jīng)由高速接口，利用微控制器子系統(tǒng)(MSS)來(lái)提取FPGA器件中的信息。

4. 工程工具成本

一般都認(rèn)為FPGA工具非常昂貴，美高森美提供具有免費(fèi)金(gold)許可授權(quán)的Libero系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)或集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，僅在開(kāi)發(fā)高端設(shè)備時(shí)需要付費(fèi)的許可授權(quán)。

工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)馬達(dá)控制組件和一個(gè)通信組件，馬達(dá)控制組件包括驅(qū)動(dòng)逆變器邏輯和保護(hù)邏輯。通信組件則實(shí)現(xiàn)監(jiān)控控制，負(fù)責(zé)實(shí)施運(yùn)行時(shí)間參數(shù)的初始化和修改。

在典型驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，可能使用多個(gè)控制器器件來(lái)實(shí)施驅(qū)動(dòng)邏輯。一個(gè)器件可能執(zhí)行與馬達(dá)控制算法相關(guān)的計(jì)算，第二個(gè)器件可能工作與通信相關(guān)的任務(wù)，第三個(gè)器件可能運(yùn)行與安全相關(guān)的任務(wù)。

圖1： 工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

多軸馬達(dá)控制

傳統(tǒng)上的工業(yè)馬達(dá)控制采用微控制器或數(shù)字信號(hào)處理(DSP)器件來(lái)運(yùn)行馬達(dá)控制所需要的復(fù)雜算法。在大多數(shù)傳統(tǒng)的工業(yè)驅(qū)動(dòng)中，F(xiàn)PGA器件與微控制器或DSP一起用于數(shù)據(jù)采集和快速動(dòng)作保護(hù)。除去數(shù)據(jù)采集、脈寬調(diào)制(PWM)生成和保護(hù)邏輯，傳統(tǒng)上，F(xiàn)PGA器并未在實(shí)施馬達(dá)控制算法方面發(fā)揮著重要作用。

這種方法使用微控制器或DSP來(lái)實(shí)施馬達(dá)控制算法，并不容易擴(kuò)展至控制超過(guò)一個(gè)在獨(dú)立速率下(多軸馬達(dá)控制)運(yùn)行的馬達(dá)，美高森美SmartFusion2器件能夠使用單一器件來(lái)實(shí)施完整的集成式多軸馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制。

控制方面可以分為兩個(gè)部分，一部分是與運(yùn)行磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法、速度控制、電流控制、速度估算、位置估算，以及PWM生成相關(guān)，另一部件則包括速度曲線、負(fù)載特性、過(guò)程控制，以及保護(hù)(故障和警報(bào))。執(zhí)行FOC算法是時(shí)間關(guān)鍵的任務(wù)，并且要求在極高的采樣速率下實(shí)施(在微秒范圍內(nèi))，尤其是具有低定子電感的高速馬達(dá)，這就需要在FPGA器件中實(shí)施FOC算法。過(guò)程控制、速度曲線，以及其它保護(hù)無(wú)需快速更新，因而，可以在較低的采樣速率下進(jìn)行(在毫秒范圍內(nèi))，并且能夠在內(nèi)置Cortex-M3處理器中進(jìn)行編程。

晶體管開(kāi)關(guān)周期在驅(qū)動(dòng)中發(fā)揮著重要作用，如果FOC 回路執(zhí)行時(shí)間比開(kāi)關(guān)階段縮短很多，可將硬件模塊重用于計(jì)算第二個(gè)馬達(dá)的電壓，這意味著在相同的成本下器件的性能更好。

圖 2： 基于SmarFusion2 FPGA器件的馬達(dá)控制

馬達(dá)控制IP模塊

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，PI控制器具有兩個(gè)可調(diào)節(jié)的增益參數(shù)，用于控制控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)——比例增益常數(shù)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，而積分分量則是累積誤差和積分增益常數(shù)的乘積。而后，這兩個(gè)分量相加。PI控制器的積分階段會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，這是由于數(shù)據(jù)值不可控制的增加。這種不可控制的數(shù)據(jù)增加稱(chēng)為卷積(wind-up)，所有PI控制器實(shí)施方案包括一個(gè)抗卷積 (anti-windup)機(jī)制，用于確保控制器輸出是有限的。美高森美PI控制器IP模塊使用保持飽和(hold-on-saturation)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)抗卷積，這個(gè)模塊還提供設(shè)置初始輸出值的附加特性。

圖3所示為無(wú)刷FOC算法框圖，這些模塊作為IP core以供使用，本節(jié)將會(huì)逐一對(duì)他們展開(kāi)討論。

圖3： 永磁同步馬達(dá)FOC算法框圖