基于SoC FPGA進行工業(yè)設計及電機控制

　　引言

　　在工業(yè)系統(tǒng)中選擇器件需要考慮多個因素，其中包括：性能、工程變更的成本、上市時間、人員的技能、重用現(xiàn)有IP/程序庫的可能性、現(xiàn)場升級的成本，以及低功耗和低成本。

　　工業(yè)市場的近期發(fā)展推動了對具有高集成度、高性能、低功耗FPGA器件的需求。設計人員更喜歡網(wǎng)絡通信而不是點對點通信，這意味著可能需要額外的控制器用于通信，進而間接增加了BOM成本、電路板尺寸和相關NRE(一次性工程費用)成本。

　　總體擁有成本用于分析和估計購置的壽命周期成本，它是所有與設計相關的直接和間接成本的擴展集，包括工程技術成本、安裝和維護成本、材料清單(BOM)成本和NRE(研發(fā))成本等。通過考慮系統(tǒng)級因素有可能最大限度地減少總體擁有成本，從而帶來可持續(xù)的長期盈利能力。

　　美高森美公司(Microsemi)提供具有硬核ARM Cortex-M3微控制器和IP集成的SmartFusion2 SoC FPGA器件，它采用成本優(yōu)化的封裝，具有減少BOM和電路板尺寸的特性。這些器件具有低功耗和寬溫度范圍，能夠在沒有冷卻風扇的極端條件下可靠地運行。SmartFusion2 SoC FPGA架構將一個硬核ARM Cortex-M3 IP與FPGA架構相集成，可以實現(xiàn)更大的設計靈活性和更快的上市時間。美高森美為電機控制算法開發(fā)提供了具有多個多軸電機控制參考設計和IP的生態(tài)系統(tǒng)，使由多處理器解決方案轉向單一器件解決方案(即SoC FPGA)更加容易。

　　影響TCO的因素

　　以下是影響系統(tǒng)TCO的一些因素。

　　(1)長壽命周期。FPGA可以在現(xiàn)場部署之后進行重新編程，這延長了產(chǎn)品的壽命周期，從而使設計人員能夠專注于新產(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)更快的上市時間。

　　(2)BOM.美高森美基于閃存技術的FPGA在上電時無需啟動PROM或閃存MCU來加載FPGA,它們是零級非易失性/即時啟動器件。與基于SRAM的FPGA器件不同，美高森美基于閃存的FPGA無需附加上電監(jiān)控器，這是因為閃存開關不會隨電壓而改變。

　　(3)上市時間。OEM廠商之間的激烈競爭迫切需要更多的產(chǎn)品差異化和更快的上市時間。經(jīng)過驗證的IP模塊可大幅縮短設計時間。目前已經(jīng)可以提供多個構建工業(yè)解決方案所需的IP模塊，同時更多的模塊正在開發(fā)中。SoC表現(xiàn)出的另一個獨特優(yōu)勢是可以用于調試FPGA設計。為了調試FPGA設計，可以通過用于調試的高速接口，利用微控制器子系統(tǒng)從FPGA中提取信息。

　　(4)工程工具成本。與FPGA開發(fā)工具昂貴的概念相反，美高森美提供用于FPGA開發(fā)的免費Libero SoC IDE,僅在開發(fā)高端器件時才需要付費。

　　工業(yè)驅動系統(tǒng)

　　工業(yè)驅動系統(tǒng)由一個電機控制器件和一個通信器件構成，電機控制器件包含了驅動逆變器的邏輯和保護邏輯，通信器件則使監(jiān)控控制能夠對運行時間參數(shù)進行初始化和修改。

　　圖1:典型工業(yè)驅動系統(tǒng)。

　　在典型的驅動系統(tǒng)(圖1)中，可能使用多個控制器器件來實現(xiàn)驅動邏輯。一個器件可能執(zhí)行與電機控制算法相關的計算，第二個器件可能運行與通信相關的任務，第三個器件則可能運行與安全性相關的任務。

　　多軸電機控制

　　傳統(tǒng)上，工業(yè)電機控制應用使用微控制器或DSP來運行電機控制所需的復雜算法，在大多數(shù)傳統(tǒng)的工業(yè)驅動中，F(xiàn)PGA與微控制器或DSP一起使用，用于數(shù)據(jù)采集和快速作用保護。除了數(shù)據(jù)采集、PWM生成和保護邏輯，F(xiàn)PGA傳統(tǒng)上并未在實現(xiàn)電機控制算法方面發(fā)揮主要作用。

　　使用微控制器或DSP實現(xiàn)電機控制算法的方法并不容易擴展到多個以獨立速度運行的電機(多軸電機控制)，美高森美SmartFusion2 SoC FPGA可以使用單一器件來實現(xiàn)集成且完整的多軸電機驅動控制(圖2)。

　　圖2:美高森美SmartFusion2 SoC FPGA使用單一器件來實現(xiàn)完整的多軸電機驅動控制。

　　控制方面可以分為兩個部分。一個部分用于運行磁場定向控制(FOC)算法、速度控制、電流控制、速度估計、位置估計和PWM生成;另一個部分則包括速度曲線、負載特性、過程控制和保護(故障和報警)。執(zhí)行FOC算法屬于時間關鍵型，需要在極高的采樣速率下進行(在微秒范圍)，特別是針對具有低定子電感的高速電機。這使得在FPGA中實現(xiàn)FOC算法變得更優(yōu)越。過程控制、速度曲線和其他保護無需快速更新，因而能夠以較低的采樣速率執(zhí)行(在毫秒范圍)，并且能夠在內(nèi)置Cortex-M3子系統(tǒng)中進行編程。

　　晶體管開關周期在驅動中發(fā)揮著重要的作用，如果FOC回路執(zhí)行時間比開關周期短得多，硬件模塊可以重用于計算第二個電機的電壓。這意味著器件可以在相同的成本下提供更高的性能。

　　圖3:永磁同步電機的磁場定向控制(FOC)框圖。

　　(1)電機控制IP模塊。圖3為無傳感器磁場定向控制算法，這一部分將會討論這些模塊，它們作為IP核提供。

　　● PI控制器。比例積分(PI)控制器是用于控制系統(tǒng)參數(shù)的反饋機制，它具有兩個用于控制控制器動態(tài)響應的可調增益參數(shù)-比例和積分增益常數(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，而積分分量是累積誤差和積分增益常數(shù)的乘積。這兩個分量被加在了一起。PI控制器的積分階段可能在系統(tǒng)中引起不穩(wěn)定，因為數(shù)據(jù)值不受控制地增加。這種不受控制的數(shù)據(jù)上升稱作積分飽卷，所有的PI控制器實現(xiàn)方案都包括一個抗飽卷機制，用于確?？刂破鬏敵鍪怯邢薜摹Ｃ栏呱赖腜I控制器IP模塊使用hold-on-saturation(保持飽和)算法用于抗飽卷。這個模塊還提供附加特性以設置最初的輸出值。[!--empirenews.page--]

　　● 磁場定向控制(FOC)。FOC是通過獨立地確定和控制轉矩和磁化電流分量來為電機提供最優(yōu)電流的算法。在永磁同步電機(PMSM)中，轉子已經(jīng)磁化。因此，為電機提供的電流只用于轉矩。FOC是計算密集型算法，但是美高森美電機控制參考設計已經(jīng)針對器件資源的最優(yōu)使用而構建。FOC算法包括Clarke、Park、逆Clarke和逆Park變換。

　　● 角度估計。FOC的一個輸入是轉子角度。精確確定轉子角度對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會增加系統(tǒng)的成本并降低可靠性。無傳感器算法有助于消除傳感器，但是增加了計算復雜性。美高森美針對無傳感器控制提供了兩個角度計算算法IP模塊-一個基于Luenberger觀測器，另一個基于直接反電動勢計算。該公司還提供基于霍爾傳感器和編碼器的單獨參考設計。

　　● PLL.PLL用于同步信號，在多個應用中有用，例如逆變器的角度估計和電網(wǎng)同步。

　　● 速率限制器。速率限制器模塊可以實現(xiàn)系統(tǒng)變量或輸入的平滑改變。例如，在電機控制系統(tǒng)中，如果電機所需的速度突然改變，系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。為了避免此類情形，速率限制器模塊用于從初始速度轉變到所需的速度。速率限制器模塊可以進行配置以控制改變的速率。

　　● 空間矢量調制?？臻g矢量調制模塊改善了直流總線利用率，并消除了晶體管開關的短脈沖。因為晶體管開啟/關斷時間比脈沖持續(xù)時間長，短脈沖會導致不正確的開關行為。

　　● 三相PWM生成。在所有計算的最后，可以得到三相電機電壓。這些電壓用于生成逆變器中晶體管的開關信號。PWM模塊為六個(三個高側和三個低側)晶體管產(chǎn)生開關信號，并且具有死區(qū)時間和延遲時間插入等先進特性?？删幊痰乃绤^(qū)時間插入特性有助于避免逆變器引腳上的災難性短路情況?？删幊痰难舆t時間插入特性使ADC測量與PWM信號生成能夠同步。該模塊可以配置成與僅由N-MOSFET組成的逆變器或同時包括N-MOSFET和P-MOSFET的逆變器一起工作。

　　(2)在SoC中調試FPGA設計。通常，在微控制器上調試設計比在FPGA上進行調試相對簡單一些。在SoC中，可以利用FPGA的高性能，同時保持在微控制器中更快速調試的優(yōu)勢。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA中的微控制器子系統(tǒng)和FPGA架構可以通過AMBA APB或AXI總線彼此進行通信。這樣可以把測試數(shù)據(jù)注入FPGA架構中，或者從FPGA架構中記錄調試數(shù)據(jù)，從而幫助實現(xiàn)運行時間的內(nèi)部數(shù)據(jù)可視化，用于實時調試。固件代碼可以單步運行，在代碼中可以設置斷點來分析FPGA寄存器數(shù)據(jù)。

　　基于SmartFusion2 SoC FPGA的多軸電機控制解決方案通過USB連接至主機PC,并與圖形用戶界面(GUI)通信，進行啟動/停止電機，設置電機速度值和其他系統(tǒng)參數(shù)，描繪多達四個系統(tǒng)變量，例如電機速度、電機電流和轉子角度(圖4)。

　　圖4:GUI的屏幕截圖-繪制內(nèi)部參數(shù)：轉子角度(綠色)、Valpha(紅色)、Vbeta(黑色)、電機速度(藍色)。

　　(3)生態(tài)系統(tǒng)。美高森美提供一組豐富的IP庫，包括前面討論過的數(shù)種電機控制功能。這些模塊可以輕易定制，并可以在美高森美器件中移植。使用Libero SoC軟件的Smart Design工具，這些模塊可以采用圖形方式配置和連接在一起。借助于這些IP模塊，設計人員能夠顯著減少在FPGA中實現(xiàn)電機控制算法所需的時間。

　　這些IP模塊已在以高達30,000r/min轉速和200kHz開關頻率運行的電機上進行了測試。

　　工業(yè)通信協(xié)議

　　工業(yè)網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢是通過使用更快的網(wǎng)絡通信替代點至點通信。實現(xiàn)此類高速通信需要支持更高的帶寬，這對于同時處理電機控制算法的微控制器或DSP來說并不容易。在大多數(shù)情況下，會使用一個附加的微控制器或FPGA來處理與每個電機控制器的通信。通常使用的基于以太網(wǎng)的協(xié)議有PROFINET、EtherNet/IP和EtherCAT標準，這些標準仍然在演進。其他的協(xié)議包括了CAN和Modbus.在這種情況下使用SoC的優(yōu)勢，是在單一FPGA平臺上支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標準。

　　根據(jù)終端系統(tǒng)目標，可以通過重用IP和協(xié)議棧(用于通信)來優(yōu)化系統(tǒng)的成本，或者通過仔細地在硬件(FPGA)和軟件(ARMCortex-M3子系統(tǒng))中劃分功能來優(yōu)化性能。

　　美高森美的SmartFusion2 FPGA具有內(nèi)置CAN、高速USB和千兆以太網(wǎng)模塊作為微控制器子系統(tǒng)的一部分。高速SERDES模塊用于實現(xiàn)涉及串行數(shù)據(jù)傳送的協(xié)議。

　　安全性

　　SmartFusion2 SoC FPGA器件具有數(shù)項設計和數(shù)據(jù)安全特性。DPA認證反篡改保護和加密特性等設計安全特性能夠幫助保護客戶的知識產(chǎn)權。SoC FPGA器件還包括數(shù)據(jù)安全特性，例如ECC硬件加速器、AES-128/256和SHA-256服務。對于數(shù)據(jù)安全性，可以使用EnforcIT IP Suite和CodeSEAL軟件安全構件，EnforcIT IP包括一套可定制內(nèi)核(作為網(wǎng)表)，有效地將安全層移到硬件中。CodeSEAL將對策注入到固件中，可以獨立地使用，或者用作EnforcIT的提升。

　　實現(xiàn)協(xié)議的靈活性可讓設計人員使用多個安全層來認證從中央監(jiān)控控制器進入的信息。

　　可靠性

　　在多個市場中安全標準的增長推動了高可靠性的需求，SmartFusion2經(jīng)設計滿足高可用性、安全關鍵型和任務關鍵型系統(tǒng)的需求，以下是SmartFusion2 SoC FPGA提供的某些可靠性特性。

　　(1)單粒子翻轉(SEU)免疫零FIT率配置。高可靠性運作需要SEU免疫零FIT率FPGA配置，SmartFusion2架構具有不受α或中子輻射的免疫能力，因為它使用閃存來配置路由矩陣和邏輯模塊中使用的晶體管。基于SRAM的FPGA在海平面上的FIT(時間失效)率可能為1k~4k,在高于海平面5,000英尺的位置會高得多。高可靠性應用可接受的FIT率低于20,這使得SmartFusion2最適合這些應用。

　　(2)EDAC保護。SmartFusion2器件具有錯誤檢測與校正(EDAC)控制器，可防止在微控制器子系統(tǒng)(MSS)存儲器中發(fā)生的單粒子翻轉錯誤。

　　(3)無外部配置器件。在具有大量FPGA的復雜系統(tǒng)中，使用外部配置器件會降低可靠性。在上電時，F(xiàn)PGA需花費時間來進行配置，這在使用多個FPGA器件的應用中帶來了設計復雜性。SmartFusion2 SoC FPGA在器件內(nèi)部包含了配置存儲器，它提供了在器件一上電時就開啟的附加優(yōu)勢。

　　(4)軍用溫度級器件。SmartFusion2 SoC FPGA器件針對軍用溫度條件進行了全面測試。軍用級器件具有10k和150k邏輯單元，并具有允許訪問密碼加速器的安全特性和數(shù)據(jù)安全特性。

　　總結

　　美高森美SmartFusion2 SoC FPGA使用經(jīng)過高度優(yōu)化的電機控制IP模塊和經(jīng)過驗證的參考設計，提供了數(shù)種降低工業(yè)設計TCO的特性。從微控制器遷移的客戶將能夠重用某些舊代碼，而FPGA設計人員將能夠利用FPGA架構和ARM Cortex-M3子系統(tǒng)來創(chuàng)建一個高效的架構，允許電機控制模塊和通信模塊同時駐留在單一器件中。ARM Cortex-M3微控制器子系統(tǒng)的存在，可以實現(xiàn)靈活的設計和智能分區(qū)，而針對性能和成本做優(yōu)化。微控制器子系統(tǒng)還可以在運行時間中注入和記錄數(shù)據(jù)，加速調試FPGA設計。SmartFusion2平臺還提供了實現(xiàn)工業(yè)通信協(xié)議的廣泛選項。它同時提供用于設計和數(shù)據(jù)安全的多項安全特性，還提供了滿足高可靠性需求的特性。SmartFusion2系列器件備有強大的生態(tài)系統(tǒng)支持，能夠幫助客戶以最低TCO來開發(fā)工業(yè)解決方案。