電機(jī)消耗的電能占全球電耗的比例非常高。在很大程度上，電機(jī)的能耗取決于電機(jī)和傳動(dòng)效率。為了降耗、提高傳動(dòng)效率和改善性能，世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)均已實(shí)施能源效率標(biāo)準(zhǔn)。因此，電機(jī)傳動(dòng)的部署正日益使用高精度、高性能電機(jī)控制算法?，F(xiàn)代傳動(dòng)系統(tǒng)要集成控制回路精度、擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)通信、外設(shè)控制、數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)安全、功能安全和可靠性等特性，這是十分重要的。此外，電機(jī)必須準(zhǔn)確并且同步控制，同時(shí)不損害性能和確定性，在多軸控制系統(tǒng)中尤其如此。為了滿足這些控制和集成要求，嵌入式設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的傳動(dòng)不僅要能夠運(yùn)行復(fù)雜的電機(jī)控制算法，而且要在連接性日益增加的環(huán)境下支持多個(gè)外設(shè)通信。

 

 

電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)傳統(tǒng)上采用微控制器(MCU)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來(lái)運(yùn)行電機(jī)控制算法。但是，隨著人們?nèi)找娌渴鹁哂懈呒伤?、擴(kuò)展性、現(xiàn)有IP重復(fù)利用性的高性能工業(yè)控制系統(tǒng)，使得FPGA成為優(yōu)先選擇，尤其結(jié)合了ARM Cortex M3微控制器和FPGA邏輯資源的解決方案，為許多關(guān)鍵任務(wù)提供了理想的分工。它們?nèi)找姹徊杉{的原因有幾個(gè)。

 

首先，由于架構(gòu)和訪問(wèn)指令存儲(chǔ)器的原因，使得微控制器十分適合用于速度更慢的串行任務(wù)，但是，對(duì)時(shí)間要求更苛刻的并行處理功能的應(yīng)用，F(xiàn)PGA則是更加理想的選擇。例如，在多軸控制中，速度獨(dú)立的多個(gè)電機(jī)通過(guò)實(shí)施確定性控制環(huán)路進(jìn)行控制。通常，多軸電機(jī)控制系統(tǒng)還集成了外設(shè)控制、傳感器接口、保護(hù)邏輯/安全和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。與這些功能有關(guān)的任務(wù)，各自擁有不同的執(zhí)行時(shí)間和優(yōu)先等級(jí)。

 

微控制器或DSP傳動(dòng)控制器采用屏蔽和中斷服務(wù)程序來(lái)分配每種任務(wù)的執(zhí)行優(yōu)先等級(jí)。某些未屏蔽的任務(wù)可能在控制回路之前執(zhí)行，導(dǎo)致控制回路的實(shí)際執(zhí)行時(shí)間不確定。相反，F(xiàn)PGA的控制回路和片上系統(tǒng)(SoC)FPGA與其它過(guò)程并行執(zhí)行，在多軸控制環(huán)路中，還可以采用時(shí)分多路復(fù)用(TDM)方案順序運(yùn)行。

 

配備ARM Cortex-M3微控制器的SoC FPGA甚至更高效地執(zhí)行這種應(yīng)用：這種FPGA用于按嚴(yán)格確定性定時(shí)方式執(zhí)行的控制回路非常理想，而較低速度的接口則可以與ARM M3微控制器連接(圖1)。

 

圖1：基于Flash的SmartFusion2 SoC FPGA實(shí)施的高度集成電機(jī)控制解決方案

 

表1：微控制器/數(shù)字信號(hào)處理器解決方案vs FPGA電機(jī)控制解決方案

 

此外，F(xiàn)PGA解決方案改善了擴(kuò)展性和性能。正如前述，在基于FPGA的控制中，優(yōu)先等級(jí)更低的任務(wù)對(duì)控制回路的執(zhí)行沒(méi)有影響，因此，增加電機(jī)的數(shù)量并不會(huì)影響控制回路的執(zhí)行時(shí)間。根據(jù)需求，可以擴(kuò)大FPGA上運(yùn)行的IP組合，從驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)無(wú)刷DC(BLDC)步機(jī)電機(jī)通道擴(kuò)大到六軸解決方案，或?qū)㈦姍C(jī)性能提高到70000 RPM以上。

 

此外，采用基于FPGA的多軸控制可以支持高達(dá)數(shù)百KHz的更高脈沖寬度調(diào)制(PWM)開(kāi)關(guān)頻率。除集成PWM產(chǎn)生等特性之外，基于FPGA的電機(jī)控制器還包括嵌入式處理、控制外設(shè)(如USB、PCIe、I2C和CAN)專用塊、多用戶定義I/O及擁有參考設(shè)計(jì)的即用型IP庫(kù)。很重要一點(diǎn)是要記住電機(jī)控制算法并非唯一要求的功能。通常，完整的電機(jī)控制設(shè)計(jì)需要一個(gè)或多個(gè)通信接口和控制I/O。這些接口并非面向高性能，因此，非常適合使用M3等微控制器來(lái)實(shí)施。通信接口可以是CAN總線、SPI、UART或其它控制總線。SoC FPGA在客戶外設(shè)和設(shè)計(jì)其它部分之間提供橋梁，當(dāng)需要其它外設(shè)時(shí)，可以采用基于微控制器的SoC FPGA。模塊化IP組件還簡(jiǎn)化了定制和擴(kuò)展，支持多軸電機(jī)或高轉(zhuǎn)動(dòng)速率解決方案的不同組合，同時(shí)滿足不斷演變的地區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IP塊越緊湊(即整個(gè)組合不到10000個(gè)邏輯元件)，支持集成需求的凈空間便越多。

 

可靠性和安全性是FPGA解決方案的其它兩個(gè)重要方面。當(dāng)設(shè)計(jì)用于衛(wèi)星太陽(yáng)能電池板、導(dǎo)向和控制系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)掃描儀、核電廠機(jī)械及執(zhí)行器(Actuator)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制等應(yīng)用的系統(tǒng)時(shí)，航空電子特別重要。許多半導(dǎo)體部件(包括MCU/DSP)易受單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)的影響?？煽啃院桶踩缘淖罴堰x擇是基于Flash而不是SRAM)的FPGA。所有配置信息芯片位于非易失性存儲(chǔ)器內(nèi)，它們?cè)趩?dòng)時(shí)絕對(duì)不會(huì)暴露位流。FPGA用于實(shí)施確定性定時(shí)非常重要的電機(jī)控制和網(wǎng)絡(luò)功能時(shí)也比微控制器可靠。微控制器的定時(shí)差異是幾毫秒，而FPGA的定時(shí)差異僅幾納秒或更低。

 

FPGA還滿足確定性多軸電機(jī)控制解決方案的安全挑戰(zhàn)要求。在現(xiàn)今的業(yè)界中，設(shè)計(jì)可能被克隆，或其數(shù)據(jù)可能被篡改或竊取的威脅日益增加。OEM面臨的另一個(gè)威脅是其處理所有要求設(shè)計(jì)和IP的供應(yīng)商或合同制造商或會(huì)過(guò)度制造。大多數(shù)MCU/DSP可能無(wú)法提供FPGA固有的高級(jí)安全特性水平，這些安全特性能夠以分層方法提供硬件安全性、設(shè)計(jì)安全性和數(shù)據(jù)安全性(全面安全戰(zhàn)略的三個(gè)關(guān)鍵要素)。有些基于閃存的FPGA還可以作為擁有關(guān)鍵儲(chǔ)存能力的信任根設(shè)備，防止超連接工業(yè)IoT受到惡意攻擊。FPGA采用物理反克隆功能(PUF)等特性應(yīng)對(duì)安全需求，其中在公鑰/私鑰方案中，采用公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(PKI)，私鑰用于實(shí)施M2M驗(yàn)證。其它特性包括加密加速器、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、用于保護(hù)CUP/DSP內(nèi)核的硬件防火墻，及差分功率分析(DPA)措施，它們相互配合，使整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)需要對(duì)安全進(jìn)行分層，從而保護(hù)硬件和數(shù)據(jù)。

 

與基于微控制器或DSP的實(shí)施相比，基于FPGA的電機(jī)控制實(shí)施的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是確定性、擴(kuò)展性和性能、可靠性，以及耐用性及安全性。

 

● 確定性— 在MCU或DSP實(shí)施中，任務(wù)順序運(yùn)行，執(zhí)行時(shí)間和中斷優(yōu)先等級(jí)不同。ISR的執(zhí)行時(shí)間不一定受到限制，因此可能導(dǎo)致不確定。與此相反，F(xiàn)PGA并行運(yùn)行任務(wù)，每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間是確定的，并且總是產(chǎn)生確定性的輸出。

 

● 擴(kuò)展性和性能 - 對(duì)更高開(kāi)關(guān)頻率的多軸電機(jī)控制來(lái)說(shuō)，MCU/DSP的性能并非最優(yōu)化。高速電機(jī)要求較高開(kāi)關(guān)頻率(如500 kHz)和‘ => 2 µs ’ FOC回路執(zhí)行。MCU硬件架構(gòu)(PWM、ADC和GPIO)在控制多個(gè)電機(jī)方面存在局限性。采用FPGA實(shí)施，高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)定向控制(FOC)的執(zhí)行時(shí)間是1 µs。用于FOC的TDM可用于控制多個(gè)電機(jī)。任何I/O引腳均可配置用于PWM和ADC接口，F(xiàn)PGA集成了多個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、HMI和其它典型MCU/DSP不支持的接口。

 

● 可靠性和耐用性 – MCU和DSP易受軟失效(SEU)的影響，產(chǎn)品使用壽命短。FPGA不受SEU影響，并且抗多種應(yīng)用中的輻射，而產(chǎn)品使用壽命通常在20年以上。

 

● 安全性 –基于MCU/DSP的實(shí)施存在篡改、克隆和制造過(guò)多的風(fēng)險(xiǎn)，而基于FPGA的實(shí)施則擁有防篡改、安全啟動(dòng)、安全通信和強(qiáng)大的安全傳承特性。

 

圖2：SmartFusion2雙軸電機(jī)控制啟動(dòng)器套件(SF2-MC-STARTER-KIT)

 

電機(jī)開(kāi)發(fā)人員要滿足今天的能源效率法規(guī)和新技術(shù)要求，同時(shí)要確保設(shè)計(jì)可擴(kuò)展以支持不同的多軸電機(jī)或高轉(zhuǎn)動(dòng)速率解決方案組合，非常富有挑戰(zhàn)性。基于Flash的SoC FPGA應(yīng)對(duì)了這些挑戰(zhàn)，將處理能力與硬件和軟件編程性和集成新特性和功能的能力相結(jié)合，同時(shí)促進(jìn)了多層安全性。它們提供了先進(jìn)的特性，如多軸控制、確定性響應(yīng)、并行處理、功能集成和靈活性，使設(shè)計(jì)人員能夠降低系統(tǒng)的總體擁有成本(TCO)。