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(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(xiàn)場中也不例外，這樣可以延長產(chǎn)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(chǎn)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(shù)據(jù)，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(chǎn)品差異化和更快的上市速度，提供多款經(jīng)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(diào)試FPGA設計，為了調(diào)試FPGA設計，可經(jīng)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(qū)動系統(tǒng)

工業(yè)驅(qū)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(qū)動逆變器邏輯和保護邏輯。通信組件則實現(xiàn)監(jiān)控控制，負責實施運行時間參數(shù)的初始化和修改。

在典型驅(qū)動應用中，可能使用多個控制器器件來實施驅(qū)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(qū)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(shù)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(shù)傳統(tǒng)的工業(yè)驅(qū)動中，F(xiàn)PGA器件與微控制器或DSP一起用于數(shù)據(jù)采集和快速動作保護。除去數(shù)據(jù)采集、脈寬調(diào)制(PWM)生成和保護邏輯，傳統(tǒng)上，F(xiàn)PGA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(qū)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(nèi))，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(nèi))，并且能夠在內(nèi)置Cortex-M3處理器中進行編程。

晶體管開關周期在驅(qū)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(shù)的反饋機制，PI控制器具有兩個可調(diào)節(jié)的增益參數(shù)，用于控制控制器的動態(tài)響應——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(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(xiàn)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