运动控制设计与混合信号FPGA解决方案

    随着电子元件的性能和集成度不断提高而价格却不断降低，电子控制单元的发展正一日千里。随着各种技术和应用大量涌现，从家电领域到工业自动化生产线，大家关注的重点还是在增加设计和提高电源效率的同时能减少设计、开发和整体的系统成本。

与此同时，运动控制应用的复杂程度也越来越高，已从简单的开/关型控制向在高度集成环境中具备精确控制的可变速应用发展。无论是交流、直流、有刷和无刷电机的各种控制电路主要由三部分构成：人机界面、微控制器(MCU) 和控制逻辑。对于闭环运动控制，传感器接口是外加的一个元件(图1)。将运动控制逻辑纳入数字领域可以实现分布式环境控制。运动控制电子和分布网络的配合可在车间实现多种新功能，包括远程管理；适应不断变化的协议；性能监视；以及按期进行维护。

图1：传统运动控制实现方法需要多个分立元件。这种闭环运动控制系统使用一个网络接口、微控制器、模拟器件、霍耳 (hall) 传感器接口和控制逻辑。

举例说，当今汽车制造业广泛使用由步进电机驱动的机械手。机械手系统使得分布式控制更为复杂，而不同的机械手要同时在几个车辆上安装不同的零件。系统设计人员主要的挑战之一是要通过局域网络实现各个机械手和其他自动化设备的同步。更复杂的是，远程管理功能(如监视、数据共享和远程配置) 对复杂的中央控制拓扑结构往往非常关键，也就是说，必需有一个有效的分布控制机制。

随着半导体工艺和集成度的提高，现场可编程门阵列(FPGA) 已成为许多电子运动控制应用的重要替代平台。FPGA的发展迅猛，在许多应用领域中替代了特定用途集成电路(ASIC)。非易失性FPGA是具成本效益的ASIC替代方案，不存在采用ASIC时涉及开发成本高和开发时间长的问题。而且，利用FPGA替代固定的逻辑，设计人员无论在设计阶段还是在应用现场，都可以高效、可靠地实现产品升级及定制功能。

以Flash 为基础的混合信号FPGA (如Actel Fusion PSC) 能在单芯片上实现前所未有的集成度。因此，这类器件可替代多个分立元件，能使成本和占用板卡空间减少最少50%，同时又能维持系统的可靠性(图2)。而且，混合信号器件上集成的Flash 内存可以让设计人员存储设计文档，不象那些以SRAM为基础的FPGA需要另外配置PROM。此外，与其他可重编程FPGA解决方案一样，可配置和灵活的混合信号FPGA器件可以在开发过程中甚至应用之后，轻易进行设计变更。

众所周知，FPGA能通过并行处理加快数学运算，使它成为实现电机控制逻辑的理想选择。FPGA能执行更严格的控制环，因此提供更佳的控制和更少的波动和噪声。设计人员还能在集成了Flash 内存的混合信号FPGA中集成软处理器核，从片上存储器直接运行，从而紧密地配合控制逻辑和中断驱动程序的需要。由于设计中的逻辑门数量和类型及控制逻辑的功能因应用而有所不同，即基于性能要求而定；因此，可编程逻辑往往最适合于实现各种用户接口和数字控制逻辑，包括网络和外设接口、脉冲宽度调制(PWM)，以及正交编码器接口和传感器输入；这对当今的运动控制系统都非常重要。

网络和外设接口

在运动控制系统中，网络和外设接口可让用户发出指令对逻辑电路进行初始化、配置和控制，并且远程管理控制系统。根据功能和拓扑结构的不同，每个运动控制系统的网络和外设接口都可能会采取独特的实现方式，但有一点共同的是，都会利用接口来提高系统的可访问性。

目前已经有各种各样的工业标准接口，如用于本地访问的通用串行总线(USB)、基于RS232的串口和控制器局域网(CAN) 接口，以及基于TCP/IP网络协议的10/100以太网。在苛刻的环境下，如汽车制造车间，可能还需要无线网络接口。这种接口可在制造车间内实现系统同步、数据共享、状态监视和故障报警。此外，基于TCP/IP的网络接口则用于延长由任何距离远程访问中央制造控制设施的能力。

图2：Actel Fusion PSC能在单芯片上为运动控制系统实现前所未有的功能集成，将可配置模拟、大容量 Flash 内存模块、周全的时钟生成和管理电路，以及高性能的可编程逻辑全部集成在单芯片中。这个架构体系可与Actel的ARM或 8051软核和其它针对具体应用开发的IP核 (如脉冲宽度调制器) 同用。

在许多情况下，工业自动化应用都需要特殊的控制算法和装置来完成特殊的任务。为实现这些标准接口无法提供的功能，需要考虑采用专门的接口。为了充分发挥某个分布控制系统的潜力，标准接口或专门的网络协议都必须加到板卡级中，或嵌入到可编程逻辑内。而FPGA是将所有接口集成在一起的最佳平台。特别是，当今的混合信号FPGA器件具有模拟前端，能支持种类众多的用户输入，以及实现运动控制所需的电压、电流和温度监视功能。

脉冲宽度调制(PWM)

PWM逻辑并不是所有运动控制应用都适用的方案。由于不同电机的绕组圈数、额定电压/电流、扭矩曲线和其他参数的差异很大，因此每种PWM系统都需要对这些差异加以考虑。在PWM控制的系统中，施加电压的顺序决定电机的转动方向。在给定绕组电感下，占空比(或者说脉冲频率和脉冲串长度) 决定了电机的峰值电流和磁通量(即其扭矩大小)。机械动量和绕组电感(部分由绕组圈数所决定) 会使PWM电压变得平滑。通过控制驱动电路的加压顺序、频率和占空比，PWM 系统就可控制方向、速度和平均扭矩。利用FPGA 器件，设计人员可以构建最适合系统要求的PWM方案，而不必非得采用传统的MCU/DSP方案来实现。

正交编码器接口(QEI)

大多数高精度电机(如用于机械手的伺服步进电机) 都支持正交编码器接口。控制系统必需提供正交编码器接口逻辑来精确电机速度、位置和加速。当然，采用可编程逻辑技术便可在各种模式下取决于运动控制系统中采用的电机特性，精确并动态地调节速度。

传感器输入

对于闭环运动控制系统，需要有转子位置和/或转数输入。这些输入可以是内置的霍耳效应传感器或外接的光学位置编码器、同步解析器或磁感应传感器。利用集成的模拟前端，混合信号FPGA将提供更加集成的解决方案，能够减少部件数、降低系统成本和提高可靠性。

可靠性和系统正常运行时间

对于今天的电子系统，高性能、低集成成本和快速诊断能力非常关键。诊断和预报，即确定故障类型并作出预报的功能，在系统管理中的重要性越来越高。读取带有时间标记系统参数的各种板卡运行的功能或事后分析故障的功能对于系统开发是无价之宝。同样地，能构建出一个"黑匣子"将为查找故障类型和设计缺陷节省宝贵的时间和精力。

混合信号FPGA的片上Flash 内存可保存关键的系统参数，并对其作时间标记，如电源线路电流消耗、器件温度和电压波动等。这些数据不仅可用于事后故障分析，而且还可让创新的设计人员用于运行中的系统趋势分析。例如，设计人员可以测量(当输入某一电压时) 绕组的电流和电机的振动，以确定什么情况下按计划的方式关闭设备。在工业应用中，从解决故障问题所需的成本以及设备关闭所造成的利润损失来考虑，按计划的方案关闭设备比意外关闭的费用要少得多。混合信号FPGA可让设计人员通过分析某一特定参数如何改变板卡的寿命，在故障发生前作出预报，从而最大限度地提高机器利用率，延长系统的正常运行时间，并降低可能造成重大损失的系统崩溃风险。

电机的应用范围很广，而且许多应用都正在由机电设计转向电子设计。计算机和功率电子器件的成本一直是推广电子电机控制广泛应用的障碍之一。随着半导体工艺和功能集成技术的进步，这个障碍正在慢慢消失。而且，由于今天采用固定功能实现方式的成本仍然很高，常常需要不同的部件和在各个设计反复环节作板卡级变更，FPGA遂成为了许多运动控制应用的替代解决方案。

理想的运动控制设计往往需要将一些可协同操作的部件放在一起，使它们能在运行中和谐配合。而混合信号FPGA解决方案的功能集成度非常高，正好能满足这种需求，可以大幅减少部件数目、板卡空间和整体系统成本，从而增加系统的可靠性和正常运行时间。

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