采用集成FPGA设计流程优化电机控制设计

在工业能耗中，三分之二以上的能耗来自工业电机驱动设备，因此，在工厂费用开支中，高效的电气特性是非常重要的因素。在电机驱动系统中采用速率可变驱动器(VSD)来替代传统的驱动器能够显著提高效率，能耗节省了近40%。

Altera 的FPGA 体系结构具有图1 所示的灵活性、性能、集成以及设计流程优势，是VSD 系统的高效平台。


■ 调整性能——通过并行处理以及灵活的功能进一步提高各种类型电机的性能和效率。
■ 设计集成——在一片器件中集成嵌入式处理器、编码器接口、DSP 运动控制算法以及工业网络。
■ 灵活的设计——重新使用知识产权(IP)，采用精度可调DSP 模块。在控制通路的任意部分都可以实现定点或者浮点精度。
■ 确定性延时——在硬件中实现电机算法以及确定性操作。
■ 功能强大而又流畅的工具——使用Simulink 等建模工具，结合Altera 的DSP Builder 以及Qsys 或者SOPC Builder 通用集成工具，优化低成本FPGA 中的全电机系统。虽然通常使用商用微控制器单元(MCU) 或者DSP 模块来实现处理和控制环，监控负载并调整位置、速度和其他驱动功能，但是，MCU 不够灵活，在性能上也有限制。在算法非常复杂的系统中，需要较高的每秒百万次指令(MIPS) 处理能力，
这些缺点尤其明显。而且，在软件中编写代码很难实现硬件最优系统。

同样的，虽然高端DSP 模块一般能够处理电机控制计算功能，但是，它们并不适用于需要同时处理高精度时间运算以及面向任务运算的系统，例如，存储器接口、信号接口和滤波，或者支持工业以太网协议标准等。

性能调整和集成优势

很多商用MCU 或者DSP 模块具有通用驱动工作基本单元。但是，这些器件存储器有限，模拟范围较窄，脉冲宽度调制(PWM) 通道数量有限，对多轴系统的支持不足。下一代驱动功能对性能的要求更高，需要提高电机效率，所采用的平台应具有性能调整功能，以满足处理和DSP 需求，同时能够灵活的集成并优化系统。

FPGA 很容易根据应用需求来调整性能。设计人员可以在FPGA 中嵌入多个处理器或者使用灵活的DSP 功能，然后，采用其他的逻辑、定制指令或者所支持的多种工业网络协议。设计人员利用Altera FPGA 可以实现多种嵌入式处理器，独立控制每一个子系统。Altera FPGA 的并行特性支持电机控制系统构建模块的集成。例如，Altera Nios II嵌入式处理器(32 位RISC 软核处理器) 可以控制各种接口以及传感器和编码器。设计人员可以使用精度可调浮点DSP 模块完成磁场定向控制(FOC) 或者其他需要大量数学计算的算法。

图2 所示为能够集成到FPGA 中的各种单元，用于建立一个“单芯片驱动”系统。集成IP 功能能够并行运行，保证了在顺序操作或者延时操作中不会出现瓶颈。


这一设计流程支持IP 的集成包括：

■ 位置反馈——具有高精度位置反馈功能的编码器，例如，EnDAT、Hiperface，以及BiSS，支持10 倍速和位置数据。
■ IGBT 控制——使用绝缘栅极双极晶体管(IGBT)，切换到驱动AC 电机所需要的高电压。在IGBT 的栅极输入上使用空间矢量调制(SVM) 技术，产生驱动电机所需要的正弦电压波形。IGBT 可以是2 级或者3 级变量。
■ ADC 接口——与外部模数转换器(ADC) 连接，测量电机的反馈电流。很容易将Sigmadelta(SD) ADC 与大驱动电压实现光电隔离，降低噪声，支持FPGA 对其输出进行采样，实现快速精确的读取操作。
■ 网络接口——在FPGA 中实现实时协议，以适应实际应用所需要的工业以太网协议标准，例如，Ethernet/IP、PROFINET IO/IRT 和EtherCAT。工业以太网在工业驱动中的应用越来越广泛。这些基于DSP 的电机控制功能、通信以及接口标准的大量应用使得FPGA 成为工业电机驱动的理想平台。


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