一招教你设计SoC FPGA的工业和马达控制？

工业系统通常由微控制器和FPGA器件等组成，美高森美(Microsemi )基于 SmartFusion2 SoC FPGA的马达控制解决方案是使用高集成度器件为工业设计带来更多优势的一个范例。本白皮书重点探讨用于工业系统的SmartFusion2系列器件的特性，以及这款器件在TCO(总体拥有成本)概念上比传统架构好的方面。

工业市场的最新发展一直在推动对高集成度的高性能、低功耗FPGA器件的需求，设计人员对网络通信的偏好超过点对点通信，这意味着通信应用可能需要额外的控制器，间接地增大了材料清单(BOM)成本、电路板尺寸，以及相关的一次性工程(NRE)费用。TCO是用于分析和评估的生命周期成本的概念，它是与设计相关的所有直接和间接成本的扩展。这些成本包括工程成本、安装和维护成本、BOM、NRE (RD)成本及其它，也可能通过考虑系统级因素来实现TCO最小化，从而带来可持续的长期赢利能力。

美高森美提供具有ARM Cortex-M3微控制器硬核、IP集成，以及成本优化封装，并且具有更小BOM清单和电路板尺寸的SmartFusion2 SoC FPGA器件。凭借低功耗特性和宽工作温度范围，这些器件能够在极端条件下可靠工作，且无需风扇冷却。通过集成ARM Cortex-M3 IP 和 FPGA fabric，还可以实现更高的设计灵活性和更快的上市速度。美高森美能够提供多轴马达控制的多种参考设计和IP生态系统，用于开发马达控制算法，从而简化从多处理器解决方案向单一器件解决方案，即向SoC FPGA器件的转变。

TCO影响因素

以下是影响系统TCO的一些因素。

1. 长生命周期

FPGA器件可以重新编程，即使部署在现场中也不例外，这样可以延长产品生命周期，允许设计人员集中精力以更快的速度开发新产品。

2. BOM

美高森美基于flash 的FPGA器件无需导引PROM或flash MCU在FPGA上电时载入数据，它们是零级(level zero)非易失性/即时开启器件。与基于SRAM的FPGA器件不同，由于flash开关不会发生电压下降(brown out)，美高森美基于flash的FPGA器件无需额外的上电监控器。

3. 上市时间

OEM厂商之间的激烈竞争要求设计具有更多的产品差异化和更快的上市速度，提供多款经过测试的IP模块可以大幅减少设计时间。市场已有多款构建工业解决方案所需的IP模块，同时，还有多款IP模块正在开发之中。SoC方案提供的另一项独特优势是调试FPGA设计，为了调试FPGA设计，可经由高速接口，利用微控制器子系统(MSS)来提取FPGA器件中的信息。

4. 工程工具成本

一般都认为FPGA工具非常昂贵，美高森美提供具有免费金(gold)许可授权的Libero系统级芯片(SoC)或集成开发环境(IDE)，仅在开发高端设备时需要付费的许可授权。

工业驱动系统

工业驱动系统包括一个马达控制组件和一个通信组件，马达控制组件包括驱动逆变器逻辑和保护逻辑。通信组件则实现监控控制，负责实施运行时间参数的初始化和修改。

在典型驱动应用中，可能使用多个控制器器件来实施驱动逻辑。一个器件可能执行与马达控制算法相关的计算，第二个器件可能工作与通信相关的任务，第三个器件可能运行与安全相关的任务。

图1： 工业驱动系统

多轴马达控制

传统上的工业马达控制采用微控制器或数字信号处理(DSP)器件来运行马达控制所需要的复杂算法。在大多数传统的工业驱动中，FPGA器件与微控制器或DSP一起用于数据采集和快速动作保护。除去数据采集、脉宽调制(PWM)生成和保护逻辑，传统上，FPGA器并未在实施马达控制算法方面发挥着重要作用。

这种方法使用微控制器或DSP来实施马达控制算法，并不容易扩展至控制超过一个在独立速率下(多轴马达控制)运行的马达，美高森美SmartFusion2器件能够使用单一器件来实施完整的集成式多轴马达驱动控制。

控制方面可以分为两个部分，一部分是与运行磁场定向控制(FOC)算法、速度控制、电流控制、速度估算、位置估算，以及PWM生成相关，另一部件则包括速度曲线、负载特性、过程控制，以及保护(故障和警报)。执行FOC算法是时间关键的任务，并且要求在极高的采样速率下实施(在微秒范围内)，尤其是具有低定子电感的高速马达，这就需要在FPGA器件中实施FOC算法。过程控制、速度曲线，以及其它保护无需快速更新，因而，可以在较低的采样速率下进行(在毫秒范围内)，并且能够在内置Cortex-M3处理器中进行编程。

晶体管开关周期在驱动中发挥着重要作用，如果FOC 回路执行时间比开关阶段缩短很多，可将硬件模块重用于计算第二个马达的电压，这意味着在相同的成本下器件的性能更好。

图 2： 基于SmarFusion2 FPGA器件的马达控制

马达控制IP模块

PI控制器

比例积分(PI)控制器是用于控制系统参数的反馈机制，PI控制器具有两个可调节的增益参数，用于控制控制器的动态响应——比例增益常数和积分增益常数。PI控制器的比例分量是比例增益常数和误差输入的乘积，而积分分量则是累积误差和积分增益常数的乘积。而后，这两个分量相加。PI控制器的积分阶段会导致系统不稳定，这是由于数据值不可控制的增加。这种不可控制的数据增加称为卷积(wind-up)，所有PI控制器实施方案包括一个抗卷积 (anti-windup)机制，用于确保控制器输出是有限的。美高森美PI控制器IP模块使用保持饱和(hold-on-saturation)算法来实现抗卷积，这个模块还提供设置初始输出值的附加特性。

图3所示为无刷FOC算法框图，这些模块作为IP core以供使用，本节将会逐一对他们展开讨论。

图3： 永磁同步马达FOC算法框图