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)帶來更多優(yōu)勢的一個(gè)范例。本白皮書重點(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 (R&D)成本及其它，也可能通過考慮系統(tǒng)級(jí)因素來實(shí)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(fēng)扇冷卻。通過集成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)，用于開發(fā)馬達(dá)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(shè)計(jì)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(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)開啟器件。與基于SRAM的FPGA器件不同，由于flash開關(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廠商之間的激烈競爭要求設(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)過測試的IP模塊可以大幅減少設(shè)計(jì)時(shí)間。市場已有多款構(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模塊正在開發(fā)之中。SoC方案提供的另一項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)勢是調(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)或集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，僅在開發(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來實(shí)施馬達(dá)控制算法，并不容易擴(kuò)展至控制超過一個(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。過程控制、速度曲線，以及其它保護(hù)無需快速更新，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)他們展開討論。

圖3： 永磁同步馬達(dá)FOC算法框圖[!--empirenews.page--]

FOC變換

磁場定向控制(FOC)是通過獨(dú)立地確定和控制轉(zhuǎn)矩和磁化電流分量來提供最佳馬達(dá)電流的算法，在永磁同步馬達(dá)(PMSM)中，轉(zhuǎn)子已經(jīng)磁化，因此，為馬達(dá)提供的電流只用于轉(zhuǎn)矩。FOC是計(jì)算密集算法，但是，美高森美馬達(dá)控制參考設(shè)計(jì)已經(jīng)針對(duì)器件資源的最優(yōu)化而構(gòu)建的，F(xiàn)OC算法包括Clarke、 Park、逆Clarke和逆Park變換。

位置和速度估算器

FOC需要精確的轉(zhuǎn)子位置和速度作為輸入，精確確定轉(zhuǎn)子角度對(duì)于確保低功耗是必不可少的。增添確定位置和速度的物理傳感器，導(dǎo)致系統(tǒng)的成本增加，并降低可靠性。無傳感器算法有助于省去傳感器，但是增加了計(jì)算復(fù)雜性。

PLL

鎖相環(huán)(PLL)用于同步信號(hào)，PLL在很多應(yīng)用中有使用，比如角度估算和逆變器的網(wǎng)格同步。

速率限制器

速率限制器模塊可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變量或輸入的平滑改變。例如，在馬達(dá)控制系統(tǒng)中，如果馬達(dá)所需的速度出現(xiàn)突變，系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。為了避免此類現(xiàn)象，速率限制器模塊用于從初始速度轉(zhuǎn)變到所需的速度。速率限制器模塊可以進(jìn)行配置以控制速率的改變。

空間矢量調(diào)制

空間矢量調(diào)制模塊提升了DC總線利用率，并且消除了晶體管開關(guān)的短脈沖。與使用正弦PWM相比，可將DC總線利用率提升15%。

三相 PWM 生成

在所有計(jì)算的最后，可以得到三相馬達(dá)電壓。這些電壓用于生成逆變器中晶體管的開關(guān)信號(hào)，PWM模塊為六個(gè)(三個(gè)高側(cè)和三個(gè)低側(cè))晶體管產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，并且具有死區(qū)時(shí)間和延遲時(shí)間插入等先進(jìn)特性。可編程的死區(qū)時(shí)間插入特性有助于避免逆變器引腳上的災(zāi)難性短路情況，這種情況是由于晶體管的關(guān)斷時(shí)間而發(fā)生的?？删幊痰难舆t插入特性使ADC測量與PWM信號(hào)生成能夠同步。該模塊可以配置成與僅由N-MOSFET組成的逆變器或同時(shí)由N-MOSFET和P- MOSFET組成的逆變器一起工作。

在 SoC中調(diào)試 FPGA設(shè)計(jì)

通常，與在FPGA器件上進(jìn)行調(diào)試相比，在微控制器上調(diào)試設(shè)計(jì)相對(duì)比較容易。在SoC中，可以利用FPGA器件的高性能，同時(shí)保持在微控制器中更快速調(diào)試的優(yōu)勢。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA中的微控制器子系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)可以通過AMBA APB or AXI總線相互通信。這樣可以把測試數(shù)據(jù)注入FPGA架構(gòu)中，或者從FPGA架構(gòu)中記錄調(diào)試數(shù)據(jù)，從而幫助實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間的內(nèi)部數(shù)據(jù)可視化，用于實(shí)時(shí)調(diào)試。固件代碼可以按步運(yùn)行，在代碼中可以設(shè)置斷點(diǎn)來分析FPGA寄存器數(shù)據(jù)。

基于 SmartFusion2 SoC FPGA的多軸馬達(dá)控制解決方案通過USB連接至主機(jī)PC，并且與圖形用戶界面(GUI)通信，進(jìn)行啟動(dòng)和停止馬達(dá)，設(shè)置馬達(dá)速度數(shù)值和其它系統(tǒng)參數(shù)，并且可表示多達(dá)四個(gè)系統(tǒng)變量，比如馬達(dá)速度、馬達(dá)電流和轉(zhuǎn)子角度。

圖4： GUI屏幕快照 – 圖解內(nèi)部參數(shù)：轉(zhuǎn)子角度(綠色)， Valpha (紅色)， Vbeta (黑色)， 馬達(dá)速度(藍(lán)色)

生態(tài)系統(tǒng)

美高森美提供豐富的IP庫，包括先前章節(jié)討論的實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)馬達(dá)控制功能的IP模塊。這些模塊可以輕易進(jìn)行定制，并且可以在美高森美FPGA器件之間進(jìn)行移植。使用Libero SoC軟件中的SmartDesign工具，用戶可以通過圖形形式配置和相互連接這些模塊。借助這些IP模塊，設(shè)計(jì)人員能夠顯著減少在FPGA器件中實(shí)施馬達(dá)控制算法所需的時(shí)間。

這些IP模塊在速度高達(dá)30，000 RPM和開關(guān)頻率高達(dá)400kHz的運(yùn)行馬達(dá)中進(jìn)行了測試。

工業(yè)通信協(xié)議

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢是使用網(wǎng)絡(luò)來替代點(diǎn)至點(diǎn)通信，從而實(shí)現(xiàn)更快的通信速度。實(shí)施此類高速通信需要更高的帶寬支持，這對(duì)于微控制器或DSP同時(shí)處理馬達(dá)控制算法并不容易。在許多案例中，需要使用一個(gè)附加的微控制器或FPGA來處理各個(gè)馬達(dá)控制器之間的通信。通常使用的以太網(wǎng)協(xié)議是Profinet、 EtherNet/IP和EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)仍然在不斷演進(jìn)。其它協(xié)議包括CAN和Modbus。在這種情況下使用SoC方案的優(yōu)勢是在單一 FPGA平臺(tái)上支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)最終系統(tǒng)目標(biāo)，有可能通過重用IP和協(xié)議堆棧(用于通信)來優(yōu)化系統(tǒng)的成本，或者通過在硬件(FPGA)和軟件(ARM Cortex-M3處理器)中仔細(xì)劃分功能來優(yōu)化性能。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件具有內(nèi)置CAN、高速USB、以及一個(gè)千兆以太網(wǎng)模塊，這是MSS的一部分。高速SERDES模塊用于實(shí)施涉及串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議。

安全性

美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件能夠提供多項(xiàng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)安全功能，差分功率分析(DPA)認(rèn)證反篡改保護(hù)和加密等設(shè)計(jì)安全功能可幫助保護(hù)用戶的IP。SoC FPGA器件還包括多項(xiàng)數(shù)據(jù)安全特性，比如糾錯(cuò)編碼(ECC)硬件加速器、AES-128/256，以及SHA-256服務(wù)。針對(duì)于數(shù)據(jù)安全性，提供 EnforcIT IP Suite和CodeSEAL軟件安全構(gòu)件。EnforcIT IP套件包括一套可定制內(nèi)核(作為網(wǎng)表)，有效地移動(dòng)安全層面至硬件中。CodeSEAL將對(duì)策措施注入固件中，并且能夠獨(dú)立使用，或者作為 EnforcIT升級(jí)。實(shí)施協(xié)議的靈活性允許設(shè)計(jì)人員使用多個(gè)安全層來認(rèn)證來自中央監(jiān)控控制器的信息。

可靠性

在多個(gè)市場中安全標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展推動(dòng)了高可靠性需求，SmartFusion2 FPGA器件經(jīng)設(shè)計(jì)滿足高可用性、安全關(guān)鍵性和任務(wù)關(guān)鍵性系統(tǒng)需求。以下是SmartFusion2 SoC FPGA器件提供的某些可靠性特性。

SEU免疫能力零FIT率配置

高可靠性工作需要單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)免疫能力零(FIT)率的FPGA配置，由于采用Flash來配置路由矩陣和邏輯模塊中的晶體管，SmartFusion2架構(gòu)對(duì)于alpha或中子輻射具有免疫能力?；赟RAM FPGA器件在海平面的FIT率為1k至4k，在海平面之上5000英尺則高出很多。高可靠性應(yīng)用可接受的FIT率低于20，這使得 SmartFusion2最適合于這些應(yīng)用。

EDAC保護(hù)

SmartFusion2 FPGA器件具有錯(cuò)誤檢測與校正(EDAC)控制器， SEU錯(cuò)誤日益普遍，即使在地平面也不例外， 使用該特性，可保證在MSS存儲(chǔ)器上防止SEU錯(cuò)誤。

無需外部配置器件

在具有大量FPGA器件的復(fù)雜系統(tǒng)中，使用外部配置器件會(huì)降低可靠性。在上電時(shí)，F(xiàn)PGA花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行配置，這在使用多個(gè)FPGA器件的應(yīng)用中帶來了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。SmartFusion2 SoC FPGA在器件內(nèi)部包括了配置存儲(chǔ)器，這具有上電即可運(yùn)行的額外優(yōu)勢。[!--empirenews.page--]

軍用溫度等級(jí)器件

SmartFusion2 SoC FPGA器件針對(duì)軍用溫度條件進(jìn)行了全面的測試。美高森美軍用等級(jí)FPGA器件提供從10k至150k邏輯單元，并伴有允許訪問加密加速器和數(shù)據(jù)安全功能的特性。

總結(jié)

美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件使用高度優(yōu)化的馬達(dá)控制IP模塊和經(jīng)過驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)，能夠提供多項(xiàng)降低工業(yè)設(shè)計(jì)TCO(總體擁有成本)的功能。從微控制器遷移的客戶能夠重用某些傳統(tǒng)代碼，同時(shí)FPGA設(shè)計(jì)人員能夠充分利用FPGA架構(gòu)和ARM Cortex-M3處理器來創(chuàng)建高效的架構(gòu)，允許馬達(dá)控制模塊和通信模塊同時(shí)集成在單一器件中。通過提供ARM Cortex-M3處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的設(shè)計(jì)和智能化分區(qū)，并可針對(duì)性能和成本而進(jìn)行優(yōu)化。MSS還可以在運(yùn)行時(shí)注入和記錄數(shù)據(jù)，加速FPGA設(shè)計(jì)調(diào)試。SmartFusion2平臺(tái)還提供實(shí)施工業(yè)通信協(xié)議的多種選項(xiàng)，這款器件提供多項(xiàng)可同時(shí)用于設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)安全的安全特性，以及滿足可靠性需求的特性。 SmartFusion2系列器件備有強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)支持，能夠幫助客戶以最低TCO來開發(fā)工業(yè)級(jí)解決方案。