FPGA在电机控制中的使用越来越多

今天的电动机驱动市场为系统设计人员提供了比以往更多的选择。在交流方面，电机驱动器提供了高度灵活的解决方案，具有越来越多的功能，如变速控制。这些器件具有启动时的低功率需求、受控加速、可调节运行速度、受控启动电流、可调节扭矩限制和减少电源线干扰。

交流电机有两种一般类型。第一种是交流电机，它使转子的旋转与供电电流的频率同步。这使得速度在变化的负载下保持恒定，使这些电机成为驱动设备的理想选择。设计人员通常在需要高精度定位的应用中使用同步交流电机，例如机器人、仪器仪表、机器和过程控制。

今天使用的更常见的交流电机是感应或异步类型。这些电机利用来自定子绕组磁场的电磁感应在转子中产生电流，从而产生转矩。这种负载能力可用于广泛的应用。

这些设备有单相和三相两种版本。单相交流感应电动机广泛用于家用电器等较小的负载。三相感应电机用于更高容量的工业应用，例如压缩机、泵、输送系统和起重装置。

工业用直流电机

在工业领域，设计人员通常使用有刷直流、无刷直流 (BLDC)、步进或伺服电机。每种类型的电机都有其自身的权衡。

有刷直流电机提供了一种简单、低成本的选择。它们支持的速度与施加的电压成线性关系，因此它们可以与简单的电机控制解决方案一起使用。另一方面，有刷直流电机通常需要相对较高的维护水平，并且由于必须承受物理磨损，使用寿命相对较短。

BLDC 电机也是一种高效的选择。通过用电子换向取代有刷直流电机中的传统机械装置，在与传统直流电机相同的速度和负载下运行时，它们的效率提高了 20% 到 30%。这使设计人员可以针对给定的功率输出使用更小、更轻、更安静的 BLDC 电机。不幸的是，在许多应用中，这些电机需要更复杂且通常更昂贵的电机控制解决方案。

伺服电机采用闭环机制，使用位置反馈来控制电机的运动和位置。电机通常与某种类型的编码器配对，以提供位置和速度反馈。恒定反馈消除了失速的可能性，并允许电机纠正任何定位差异。

步进电机是无刷直流电机，以离散和相等的步长移动。无需任何位置传感器进行反馈，即可引导电机在任何步骤移动或保持其位置。步进电机比伺服电机使用更多的磁极。对于寻求具有高精度控制和强大低速扭矩的电机的设计人员来说，步进电机提供了最佳选择。步进电机还具有较长的生命周期。

但高精度是有代价的。步进电机是效率相对较低的电机，容易产生共振、噪声和转矩脉动。使用这种电机类型的设计人员还必须记住，他们不能快速加速负载。在许多情况下，步进电机和伺服电机驱动器在电机控制应用中与 FPGA 一起使用时可为设计人员提供显着优势。

FPGA 辅助电机控制

步进和伺服控制驱动器根据特定需求量身定制。伺服控制驱动器非常适合涉及动态负载变化的高速、高扭矩应用。另一方面，步进控制系统的成本要低得多，并且最适合需要中低加速度、高保持扭矩以及在开环或闭环中运行的灵活性的应用。表 1 比较了步进和伺服控制驱动器的可用特性。

表 1：步进电机和伺服电机的特性比较。

通常，基于 FPGA 的电机控制驱动器用于替代 MCU 和 DSP 替代品。表 2 比较了基于 MCU/DSP 模块与 FPGA 的电机控制驱动设计，并强调了 FPGA 提供的优势，包括使用定制脉宽调制 (PWM) 的能力、更容易的组件集成、更少的组件、更高的控制环路带宽、和更高的可靠性。

通过使用带有定制 IP 的 FPGA，系统设计人员可以根据他们的需求高效地创建电机控制解决方案并确保确定性行为。他们还可以开发解决方案，降低电机和电源转换器的损耗，同时优化直流母线的电压利用率。此外，采用这种方法的设计人员可以定制以前固定的通用硬件，同时在高调制指数下将总谐波失真 (THD) 降低近 50%。

表 2：基于 MCU/DSP 和 FPGA 的电机控制解决方案的比较。

设计人员如何知道应用程序是否可以从基于 FPGA 的控制解决方案中受益?回答几个基本问题是第一步。设计师使用什么设计标准?应用程序必须移动的负载是多少?电机需要以什么速度运行?负载在整个移动过程中是否变化?应用程序是否需要任何特殊功能，例如扭矩限制?最后，设计和功率预算有多大?

框图(图 1)说明了 DVE 的工程师如何为舞台照明应用开发电机控制解决方案，该应用必须在单个模块中同时同步多达八个舞台灯光。设计团队知道他们需要一种能够同时驱动多达 8 个两相或三相步进电机的低成本电机控制解决方案。

该设计要求 32 位处理器或 DSP 以 100 MHz 运行，并带有附加逻辑。其次，由于所需的同步和确定性系统要求，它要求进行仔细的软件设计。该设计还需要支持每个电机的编码器接口，以实现精确的位置确定。

设计案例研究

为了满足这些需求，设计人员使用了莱迪思半导体的 MachXO2-7000 FPGA。具有高达 256 Kb 的集成闪存和 240 Kb 的嵌入式 RAM，这确保了 FPGA 可以在不到一毫秒的时间内自行启动。全部在一个芯片中，该设计包括一个运行频率为 50 MHz 的 32 位微控制器，具有 20 KB 的代码和 4 KB 的数据空间、一个实时以太网接口、一个电机控制算法和反馈编码器。

此外，集成启动闪存消除了对外部启动闪存的需求，并确保了快速启动过程。由于 FPGA 的并行架构，可以简单地复制功能块而不牺牲确定性行为。

图 1：DVE 采用单芯片 FPGA 设计的电机控制解决方案。

DVE 的电机控制解决方案支持用于控制脉宽调制和反电动势检测技术的空间矢量调制算法。它还具有 REDBUS 实时以太网接口，允许 100 Mbps 的数据交换和多个板的互连，而无需以太网交换机设备。

展望未来，伺服电机控制应用通常需要一个反馈回路，其中传感器可以确定电机的位置、运行速度以及施加的扭矩。对于这些应用，设计人员将需要具有集成 DSP 模块的 FPGA 来执行反馈环路功能。具有嵌入式 DSP 模块的新一代低密度 FPGA 可以提供比传统选项更高效的解决方案。
 

　　审核编辑：汤梓红