賽靈思展示基于PFM算法的高性能馬達(dá)控制單芯片方案

一直以來(lái)，馬達(dá)控制系統(tǒng)對(duì)性能的要求與日俱增，更低的噪音、更少的震動(dòng)、更低的EMI、更高的精度以及更少的能源消耗是眾多廠商追求的目標(biāo)。針對(duì)不同應(yīng)用的差異化需求，目前市場(chǎng)上基于MCU/DSP/FPGA的馬達(dá)控制方案數(shù)不勝數(shù)。鑒于此，賽靈思亦重兵部署馬達(dá)控制，自去年宣布推出業(yè)內(nèi)第一個(gè)PFM馬達(dá)控制方案后，再度在2013工業(yè)計(jì)算機(jī)及嵌入式系統(tǒng)展會(huì)上展示其基于PFM算法的高性能馬達(dá)控制單芯片方案，在能效和EMI上優(yōu)勢(shì)盡顯，充分凸顯其在高性能馬達(dá)控制市場(chǎng)的獨(dú)特地位。

馬達(dá)控制向來(lái)是各大廠商的必爭(zhēng)之地，然而業(yè)界不同的馬達(dá)控制方案均有其差異化優(yōu)勢(shì)及特定應(yīng)用領(lǐng)域。譬如，飛思卡爾提供目前市面上最完備的汽車恆磁同步馬達(dá)(PMSM)或無(wú)刷直流(BLDC)馬達(dá)的控制解決方案;德州儀器的AC感應(yīng)馬達(dá) (ACIM) 是消費(fèi)電子類應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用中最受歡迎的馬達(dá);賽普拉斯的PSoC 4專門針對(duì)馬達(dá)控制等應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，致力于低成本消費(fèi)類和工業(yè)等應(yīng)用;業(yè)界賽靈思老對(duì)手A公司的馬達(dá)控制方案亦因其系統(tǒng)集成度、可擴(kuò)展性和靈活性在中低端市場(chǎng)占據(jù)一席之地。

相比而言，針對(duì)成本敏感型應(yīng)用，賽靈思基于Spartan-6 FPGA的馬達(dá)控制方案大放異彩;基于Zynq-7000的馬達(dá)控制方案更趨向于高性能應(yīng)用領(lǐng)域，在高端市場(chǎng)可謂是所向披靡。賽靈思ISM市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理林逸芳表示，賽靈思搭載PFM算法的單芯片(Zynq-7000)馬達(dá)控制方案能大大地滿足高性能馬達(dá)控制的需求，主要應(yīng)用于機(jī)器人、電子汽車、機(jī)器人輔助外科手術(shù)和工廠自動(dòng)化(制造和組裝)等對(duì)精度要求和性能要求極高的領(lǐng)域。

圖 賽靈思ISM市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理林逸芳

如下圖所示，基于微控制器的ASSP方案的環(huán)路帶寬約為 55 微秒，而賽靈思基于FPGA的磁場(chǎng)定向控制可以輕松實(shí)現(xiàn) 2.5 微秒以下的響應(yīng)時(shí)間。毫無(wú)疑問(wèn)，賽靈思的電機(jī)控制方案能助力將性能提高15 倍。更加重要的是，由于MCU和DSP都是串行運(yùn)算機(jī)制，如果用它們來(lái)控制4或8個(gè)電機(jī)時(shí)，最長(zhǎng)時(shí)延就會(huì)增加4倍或8倍;而FPGA是并行計(jì)算機(jī)制，不管用它控制多少個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)的時(shí)延都是一樣的，都可做到2.5us。如此一來(lái)，雙方在性能上的對(duì)比只會(huì)越發(fā)明顯，性能上的提升為客戶帶來(lái)的是更高的精準(zhǔn)度、更高的效率以及更低的成本。對(duì)于多電機(jī)控制而言，F(xiàn)PGA是最優(yōu)選擇。

圖1 相比MCU方案而言，賽靈思的電機(jī)控制方案能助力將性能提高15 倍

由于現(xiàn)有的基于PWM算法的馬達(dá)控制方案會(huì)帶來(lái)EMI問(wèn)題和時(shí)延較長(zhǎng)的不足。通過(guò)使用PFM算法，賽靈思實(shí)現(xiàn)了更高的能效和更低的EMI。標(biāo)準(zhǔn)PWM調(diào)制算法和PFM調(diào)制算法的對(duì)比如圖2所示。相比其他FPGA廠商基于PWM算法的馬達(dá)控制方案，賽靈思的方案在EMI和時(shí)延上的優(yōu)勢(shì)是無(wú)可匹敵的。無(wú)疑，這也就造就了其他FPGA廠商的馬達(dá)控制方案更偏向于中低端應(yīng)用，而賽靈思的方案更適合高性能、高靈敏需求的高端應(yīng)用的局面了。當(dāng)然，這也是我們消費(fèi)者喜于樂(lè)見(jiàn)的，廠商的差異化發(fā)展給整個(gè)市場(chǎng)帶來(lái)了良好的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，也為用戶提供了更多差異化的選擇。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)的SVM-PWM 脈沖寬度調(diào)制和賽靈思 RPFM 技術(shù)脈沖頻率調(diào)制對(duì)比

林逸芳表示，除了提升性能和減少EMI，賽靈思Zynq-7000 器件在單個(gè)芯片上集成Cortex-A9雙核處理器、USB / CAN / UART / SPI / I2C接口以及XADC等硬硅片IP，馬達(dá)控制算法、PWM / PFM、安全I(xiàn)P以及用戶可定制的MAC等可編程IP。通過(guò)提高片上系統(tǒng)組件集成度，不僅能提升DSP功能、提高可靠性，還能通過(guò)軟件編程結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可定制化設(shè)計(jì)以降低整體成本。據(jù)林逸芳介紹，賽靈思單芯片馬達(dá)控制方案還滿足IEC61508等安全標(biāo)準(zhǔn)。毫無(wú)疑問(wèn)，Zynq-7000創(chuàng)新器件搭載PFM算法是賽靈思在馬達(dá)控制應(yīng)用領(lǐng)域攻城掠地的有利優(yōu)勢(shì)。