如何設計基于SoC FPGA的工業(yè)和馬達控制方案？

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的馬達控制解決方案是使用高集成度器件為工業(yè)設計帶來更多優(yōu)勢的一個范例。本白皮書重點探討用于工業(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)架構好的方面。

工業(yè)市場的最新發(fā)展一直在推動對高集成度的高性能、低功耗FPGA器件的需求，設計人員對網絡通信的偏好超過點對點通信，這意味著通信應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，以及相關的一次性工程(NRE)費用。TCO是用于分析和評估的生命周期成本的概念，它是與設計相關的所有直接和間接成本的擴展。這些成本包括工程成本、安裝和維護成本、BOM、NRE (RD)成本及其它，也可能通過考慮系統(tǒng)級因素來實現TCO最小化，從而帶來可持續(xù)的長期贏利能力。

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，且無需風扇冷卻。通過集成ARM Cortex-M3 IP 和 FPGA fabric，還可以實現更高的設計靈活性和更快的上市速度。美高森美能夠提供多軸馬達控制的多種參考設計和IP生態(tài)系統(tǒng)，用于開發(fā)馬達控制算法，從而簡化從多處理器解決方案向單一器件解決方案，即向SoC FPGA器件的轉變。

TCO影響因素

以下是影響系統(tǒng)TCO的一些因素。

1. 長生命周期

FPGA器件可以重新編程，即使部署在現場中也不例外，這樣可以延長產品生命周期，允許設計人員集中精力以更快的速度開發(fā)新產品。

2. BOM

美高森美基于flash 的FPGA器件無需導引PROM或flash MCU在FPGA上電時載入數據，它們是零級(level zero)非易失性/即時開啟器件。與基于SRAM的FPGA器件不同，由于flash開關不會發(fā)生電壓下降(brown out)，美高森美基于flash的FPGA器件無需額外的上電監(jiān)控器。

3. 上市時間

OEM廠商之間的激烈競爭要求設計具有更多的產品差異化和更快的上市速度，提供多款經過測試的IP模塊可以大幅減少設計時間。市場已有多款構建工業(yè)解決方案所需的IP模塊，同時，還有多款IP模塊正在開發(fā)之中。SoC方案提供的另一項獨特優(yōu)勢是調試FPGA設計，為了調試FPGA設計，可經由高速接口，利用微控制器子系統(tǒng)(MSS)來提取FPGA器件中的信息。

4. 工程工具成本

一般都認為FPGA工具非常昂貴，美高森美提供具有免費金(gold)許可授權的Libero系統(tǒng)級芯片(SoC)或集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，僅在開發(fā)高端設備時需要付費的許可授權。

工業(yè)驅動系統(tǒng)

工業(yè)驅動系統(tǒng)包括一個馬達控制組件和一個通信組件，馬達控制組件包括驅動逆變器邏輯和保護邏輯。通信組件則實現監(jiān)控控制，負責實施運行時間參數的初始化和修改。

在典型驅動應用中，可能使用多個控制器器件來實施驅動邏輯。一個器件可能執(zhí)行與馬達控制算法相關的計算，第二個器件可能工作與通信相關的任務，第三個器件可能運行與安全相關的任務。

圖1： 工業(yè)驅動系統(tǒng)

多軸馬達控制

傳統(tǒng)上的工業(yè)馬達控制采用微控制器或數字信號處理(DSP)器件來運行馬達控制所需要的復雜算法。在大多數傳統(tǒng)的工業(yè)驅動中，FPGA器件與微控制器或DSP一起用于數據采集和快速動作保護。除去數據采集、脈寬調制(PWM)生成和保護邏輯，傳統(tǒng)上，FPGA器并未在實施馬達控制算法方面發(fā)揮著重要作用。

這種方法使用微控制器或DSP來實施馬達控制算法，并不容易擴展至控制超過一個在獨立速率下(多軸馬達控制)運行的馬達，美高森美SmartFusion2器件能夠使用單一器件來實施完整的集成式多軸馬達驅動控制。

控制方面可以分為兩個部分，一部分是與運行磁場定向控制(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，另一部件則包括速度曲線、負載特性、過程控制，以及保護(故障和警報)。執(zhí)行FOC算法是時間關鍵的任務，并且要求在極高的采樣速率下實施(在微秒范圍內)，尤其是具有低定子電感的高速馬達，這就需要在FPGA器件中實施FOC算法。過程控制、速度曲線，以及其它保護無需快速更新，因而，可以在較低的采樣速率下進行(在毫秒范圍內)，并且能夠在內置Cortex-M3處理器中進行編程。

晶體管開關周期在驅動中發(fā)揮著重要作用，如果FOC 回路執(zhí)行時間比開關階段縮短很多，可將硬件模塊重用于計算第二個馬達的電壓，這意味著在相同的成本下器件的性能更好。

圖 2： 基于SmarFusion2 FPGA器件的馬達控制

馬達控制IP模塊

PI控制器

比例積分(PI)控制器是用于控制系統(tǒng)參數的反饋機制，PI控制器具有兩個可調節(jié)的增益參數，用于控制控制器的動態(tài)響應——比例增益常數和積分增益常數。PI控制器的比例分量是比例增益常數和誤差輸入的乘積，而積分分量則是累積誤差和積分增益常數的乘積。而后，這兩個分量相加。PI控制器的積分階段會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，這是由于數據值不可控制的增加。這種不可控制的數據增加稱為卷積(wind-up)，所有PI控制器實施方案包括一個抗卷積 (anti-windup)機制，用于確?？刂破鬏敵鍪怯邢薜摹Ｃ栏呱繮I控制器IP模塊使用保持飽和(hold-on-saturation)算法來實現抗卷積，這個模塊還提供設置初始輸出值的附加特性。

圖3所示為無刷FOC算法框圖，這些模塊作為IP core以供使用，本節(jié)將會逐一對他們展開討論。

圖3： 永磁同步馬達FOC算法框圖