FPGA提升电机控制系统的性能和设计灵活性

电动机总体上消耗了很大一部分的全球电力,从而带来了更复杂的电机控制设计，这些设计使用基于传感器和无传感器反馈回路和先进的算法，实现更精密的控制和更高的电机效率。

电动机总体上消耗了很大一部分的全球电力。市场研究机构IHSTechnology指出，96%的电机寿命周期成本是纯电力成本。监管机构为它们执行了更严格的能源标准。而且，制造商正在审查其在设备总体成本(TCO)中所占的巨大比率。这带来了更复杂的电机控制设计，这些设计使用基于传感器和无传感器反馈回路和先进的算法，实现更精密的控制和更高的电机效率。

电机设计人员还必需支持不断变化的工业控制标准和技术，同时供应关键性系统功能以确保安全性、可调节性和可靠性。要满足能效和系统级功能需求增强的双目标，要充分的算法处理能力和灵活的可调节系统架构。基于闪存的非易失性安全低功耗系统级芯片(SoC)FPGA器件通过供应必需的功率，同时结合固有和分级的安全性和可靠性，能够同时应对这两个挑战，不但可保护物联网(IoT)应用的通信，并且具有在各种多轴或高RPM应用中快速、轻易地从小占位面积转换至功能丰富的定制电机设计的可调节性。

挑战

虽然传统设计使用简单的标量控制、高效电机在所有转矩和速度范围使用磁场定向控制(FOC)，以显著提升效率。由于采用电流控制，FOC还可以根据应用需求来优化功率逆变器电路和电机占位面积。它使用反馈回路，带有或不带有传感器，以及复杂算法来调整关键的电机动作参数，包括速度、位置或角度、转矩、电流及通量。传统上，单轴或双轴设计利用微控制器(MCU)和DSP处理算法，但其处理能力无法跟上日益上升的多轴或高旋转电机性能需求。此外，现时的情况日趋复杂，因为除了电机控制的效率外，我们很多时候还要关注其他问题，尤其是联网的厂，现今的物联网(IoT)环境关于安全通信带来了重要的要求这是基于闪存的FPGA架构适宜处理的挑战。

图1：可以用于电机控制和监控功能，基于闪存的SoCFPGA架构示例。

在电机控制设计的功率电子方面，存在着从绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件转向碳化硅(SiC)功率MOSFET器件的迁移，SiC解决方案供应更高的带隙以提升冷却性能(因而可以使用较小、较廉价的散热片)、更好的热传导性以提高功率密度，以及更高的开关频率(超过100kHz)，因而可以在逆变器级使用更小的磁件，有助于降低客户的TCO。

在控制端，DSP和MCU器件在较高开关频率场合的表现不佳，某些DSP可以优化几个用于高频开关的通道，但是，它们仍然缺乏快速适应需求变化，以及增添更多脉宽调制(PWM)通道来控制功率电子级(事实上，这通常卸载至FPGA器件)的能力。ASIC和ASSP器件具有相同的灵活性和扩展性难题。

基于闪存的FPGA器件供应比基于MCU/DSP解决方案的更高性能，用于高速、低迟滞算法处理，同时集成附加的系统功能以进一步提升TCO。设计人员能够使用基于闪存的FPGA来调节至更高的开关频率和更多的PWM通道，以匹配功率电子装置，从而支持超越MCU/DSP的功能。

图1所示为带有ARMCortex-M3微控制器的基于闪存SoCFPGA器件，可以用于电机控制和监控功能。这个FPGA用于电机控制功能的硬件加速，以提升性能和设计灵活性。电机控制算法可以运行在FPGA器件，以实现更快速的并行处理，它具有智能分区，以确保微控制器子系统中的所有通信协议处理都不会影响到在FPGA器件内运行的电机控制算法计算。

即插即用IP模块化套件，经定制执行所有必需的数学电机模型，完善了今天的FPGA解决方案。开发人员可以确定哪一个IP模块用于FPGA架构中的硬件加速，从而能够应对全系列算法处理挑战。这些解决方案确保低功耗运作，同时推动开发人员优化其系统以使用加快上市速度的简化设计过程，同时供应满足不断演进之需求的灵活性和可扩展性，从而实现高可靠性、高安全性和保密功能。

低功耗运作

用于电机控制设计的FPGA器件必需同时减小静态功率和总体功率，特别是在高频率和高温下。与必需在上电期间从外部ROM进行配置的使用六个晶体管的SRAM单元的FPGA相比，具有内置单晶体管闪存单元的FPGA更具有优势。基于闪存的最新FPGA解决方案还使用了全面的方法来最大限度地降低功耗，包括工艺技术、架构和可配置逻辑设计，以及嵌入式功能，包括增强的M3MCU、5GSERDES、DDR2/3、TSE、DSP模块，以及专用功率模式。与基于SRAM的FPGA解决方案相比，这种方法可降低50%总体功率和降低10%静态功率。

可靠性、安全性和保密性

正常情况下，在执行确定性按时很重要的电机控制和网络功率方面，FPGA器件更为可靠。微控制器的按时变化可能高达数毫秒，而FPGA器件的按时变化则少于数纳秒。

图2：IP模块推动共用FPGA资源的分享，实现最高效的芯片利用率。

实现安全性的最佳选择是基于闪存FPGA器件，而不是基于SRAM的FPGA器件，原因在于它们在非易失性存储器中储存配置信息比特流永远不会在启动时暴露。它们还具有单粒子翻转(SEU)免疫能力，SEU可以改变配置SRAM的内容。某些基于闪存的FPGA器件具有保护超连接工业IoT系统避免克隆、篡改和其它恶意攻击的关键存储能力，还可以用作信任根器件。为满足安全需求，这些FPGA器件具有物理反克隆等功能(physicallyunclonablefunction,PUF)，其中公匙/私匙方案可以用于通过公匙基础设施(PKI)执行M2M认证。其它功能包括加密加速器、随机数字发生器、保护CPU/DSP内核的硬件防火墙头，以及差分功率分析(DPA)防御措施，这些功能合并起来，在整个系统中执行分层安全性以保护硬件和数据。

通过模块化方法简化设计

模块化和性能导向IP模块套件可以通过即插即用简单性来执行算法。设计可以轻易在多个平台迁移，以加快上市速度。所有IP模块均已在实际硬件上通过模拟测试，以确保精密的转矩输出，并可轻易集成以创建任务专用模块。各个模块促进了共用FPGA资源的分享，以实现最高效的芯片利用率(图2)。

这款IP套件还包括所有基础构件，包括Clarke和Park转换、用于控制环路反馈的比例积分(PI)控制器，以及空间矢量PWM(SVPWM)。

灵活性和可扩展性

模块化IP套件还可以简化定制和扩展，以支持不同的多轴电机或高RPM解决方案的组合，同时满足不断演进的技术标准。IP模块越紧凑(比如整个套件小于10,000个逻辑组件)，以便要越多资源来支持集成需求。根据需求而定，在FPGA器件上运行的IP套件可以调节以驱动两个无刷直流(BLDC)/步进电机通道至六轴解决方案，或者扩展电机性能至超过70,000RPM。一个调节多轴FOC控制的方法，是在器件中各个FOC环路实行时分多工，使得每个电机可以单独控制，从而满足不同的参考速度和转矩需求。在FPGA架构中执行各种功能，腾出微处理器子系统用于运行通信协议堆栈，供应人机接口，或者其它任务。

电机的设计人员必需满足强制的能量要求，同时确保系统能够调节和适应。基于闪存的SoCFPGA器件供应了吸引力日益增强的产品以替代DSP、MCU、ASIC和ASSP器件，结合了必需的处理能力及硬件和软件可编程性，以及电路板选项，用于加速和智能分区功能。基于闪存的FPGA器件增添了固有的安全性，能够用作连接厂中安全IoT通信的信任根。