工業(yè)系統(tǒng)通常由微控制器和FPGA器件等組成，美高森美(Microsemi )基于 SmartFusion2 SoC FPGA的馬達控制解決方案是使用高集成度器件為工業(yè)設(shè)計帶來更多優(yōu)勢的一個范例。本白皮書重點探討用于工業(yè)系統(tǒng)的SmartFusion2系列器件的特性，以及這款器件在TCO(總體擁有成本)概念上比傳統(tǒng)架構(gòu)好的方面。

工業(yè)市場的最新發(fā)展一直在推動對高集成度的高性能、低功耗FPGA器件的需求，設(shè)計人員對網(wǎng)絡(luò)通信的偏好超過點對點通信，這意味著通信應(yīng)用可能需要額外的控制器，間接地增大了材料清單(BOM)成本、電路板尺寸，以及相關(guān)的一次性工程(NRE)費用。TCO是用于分析和評估的生命周期成本的概念，它是與設(shè)計相關(guān)的所有直接和間接成本的擴展。這些成本包括工程成本、安裝和維護成本、BOM、NRE (R&D)成本及其它，也可能通過考慮系統(tǒng)級因素來實現(xiàn)TCO最小化，從而帶來可持續(xù)的長期贏利能力。

美高森美提供具有ARM Cortex-M3微控制器硬核、IP集成，以及成本優(yōu)化封裝，并且具有更小BOM清單和電路板尺寸的SmartFusion2 SoC FPGA器件。憑借低功耗特性和寬工作溫度范圍，這些器件能夠在極端條件下可靠工作，且無需風扇冷卻。通過集成ARM Cortex-M3 IP 和 FPGA fabric，還可以實現(xiàn)更高的設(shè)計靈活性和更快的上市速度。美高森美能夠提供多軸馬達控制的多種參考設(shè)計和IP生態(tài)系統(tǒng)，用于開發(fā)馬達控制算法，從而簡化從多處理器解決方案向單一器件解決方案，即向SoC FPGA器件的轉(zhuǎn)變。

TCO影響因素

以下是影響系統(tǒng)TCO的一些因素。

1. 長生命周期

FPGA器件可以重新編程，即使部署在現(xiàn)場中也不例外，這樣可以延長產(chǎn)品生命周期，允許設(shè)計人員集中精力以更快的速度開發(fā)新產(chǎn)品。

2. BOM

美高森美基于flash 的FPGA器件無需導(dǎo)引PROM或flash MCU在FPGA上電時載入數(shù)據(jù)，它們是零級(level zero)非易失性/即時開啟器件。與基于SRAM的FPGA器件不同，由于flash開關(guān)不會發(fā)生電壓下降(brown out)，美高森美基于flash的FPGA器件無需額外的上電監(jiān)控器。

3. 上市時間

OEM廠商之間的激烈競爭要求設(shè)計具有更多的產(chǎn)品差異化和更快的上市速度，提供多款經(jīng)過測試的IP模塊可以大幅減少設(shè)計時間。市場已有多款構(gòu)建工業(yè)解決方案所需的IP模塊，同時，還有多款I(lǐng)P模塊正在開發(fā)之中。SoC方案提供的另一項獨特優(yōu)勢是調(diào)試FPGA設(shè)計，為了調(diào)試FPGA設(shè)計，可經(jīng)由高速接口，利用微控制器子系統(tǒng)(MSS)來提取FPGA器件中的信息。

4. 工程工具成本

一般都認為FPGA工具非常昂貴，美高森美提供具有免費金(gold)許可授權(quán)的Libero系統(tǒng)級芯片(SoC)或集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，僅在開發(fā)高端設(shè)備時需要付費的許可授權(quán)。

工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)

工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)包括一個馬達控制組件和一個通信組件，馬達控制組件包括驅(qū)動逆變器邏輯和保護邏輯。通信組件則實現(xiàn)監(jiān)控控制，負責實施運行時間參數(shù)的初始化和修改。

在典型驅(qū)動應(yīng)用中，可能使用多個控制器器件來實施驅(qū)動邏輯。一個器件可能執(zhí)行與馬達控制算法相關(guān)的計算，第二個器件可能工作與通信相關(guān)的任務(wù)，第三個器件可能運行與安全相關(guān)的任務(wù)。

圖1： 工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)

多軸馬達控制

傳統(tǒng)上的工業(yè)馬達控制采用微控制器或數(shù)字信號處理(DSP)器件來運行馬達控制所需要的復(fù)雜算法。在大多數(shù)傳統(tǒng)的工業(yè)驅(qū)動中，F(xiàn)PGA器件與微控制器或DSP一起用于數(shù)據(jù)采集和快速動作保護。除去數(shù)據(jù)采集、脈寬調(diào)制(PWM)生成和保護邏輯，傳統(tǒng)上，F(xiàn)PGA器并未在實施馬達控制算法方面發(fā)揮著重要作用。

這種方法使用微控制器或DSP來實施馬達控制算法，并不容易擴展至控制超過一個在獨立速率下(多軸馬達控制)運行的馬達，美高森美SmartFusion2器件能夠使用單一器件來實施完整的集成式多軸馬達驅(qū)動控制。

控制方面可以分為兩個部分，一部分是與運行磁場定向控制(FOC)算法、速度控制、電流控制、速度估算、位置估算，以及PWM生成相關(guān)，另一部件則包括速度曲線、負載特性、過程控制，以及保護(故障和警報)。執(zhí)行FOC算法是時間關(guān)鍵的任務(wù)，并且要求在極高的采樣速率下實施(在微秒范圍內(nèi))，尤其是具有低定子電感的高速馬達，這就需要在FPGA器件中實施FOC算法。過程控制、速度曲線，以及其它保護無需快速更新，因而，可以在較低的采樣速率下進行(在毫秒范圍內(nèi))，并且能夠在內(nèi)置Cortex-M3處理器中進行編程。

晶體管開關(guān)周期在驅(qū)動中發(fā)揮著重要作用，如果FOC 回路執(zhí)行時間比開關(guān)階段縮短很多，可將硬件模塊重用于計算第二個馬達的電壓，這意味著在相同的成本下器件的性能更好。

馬達控制IP模塊

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，PI控制器具有兩個可調(diào)節(jié)的增益參數(shù)，用于控制控制器的動態(tài)響應(yīng)——比例增益常數(shù)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，而積分分量則是累積誤差和積分增益常數(shù)的乘積。而后，這兩個分量相加。PI控制器的積分階段會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，這是由于數(shù)據(jù)值不可控制的增加。這種不可控制的數(shù)據(jù)增加稱為卷積(wind-up)，所有PI控制器實施方案包括一個抗卷積 (anti-windup)機制，用于確?？刂破鬏敵鍪怯邢薜?。美高森美PI控制器IP模塊使用保持飽和(hold-on-saturation)算法來實現(xiàn)抗卷積，這個模塊還提供設(shè)置初始輸出值的附加特性。

圖3所示為無刷FOC算法框圖，這些模塊作為IP core以供使用，本節(jié)將會逐一對他們展開討論。

圖3： 永磁同步馬達FOC算法框圖

FOC變換

磁場定向控制(FOC)是通過獨立地確定和控制轉(zhuǎn)矩和磁化電流分量來提供最佳馬達電流的算法，在永磁同步馬達(PMSM)中，轉(zhuǎn)子已經(jīng)磁化，因此，為馬達提供的電流只用于轉(zhuǎn)矩。FOC是計算密集算法，但是，美高森美馬達控制參考設(shè)計已經(jīng)針對器件資源的最優(yōu)化而構(gòu)建的，F(xiàn)OC算法包括Clarke、Park、逆Clarke和逆Park變換。

位置和速度估算器

FOC需要精確的轉(zhuǎn)子位置和速度作為輸入，精確確定轉(zhuǎn)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，導(dǎo)致系統(tǒng)的成本增加，并降低可靠性。無傳感器算法有助于省去傳感器，但是增加了計算復(fù)雜性。

PLL

鎖相環(huán)(PLL)用于同步信號，PLL在很多應(yīng)用中有使用，比如角度估算和逆變器的網(wǎng)格同步。

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，在馬達控制系統(tǒng)中，如果馬達所需的速度出現(xiàn)突變，系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。為了避免此類現(xiàn)象，速率限制器模塊用于從初始速度轉(zhuǎn)變到所需的速度。速率限制器模塊可以進行配置以控制速率的改變。

空間矢量調(diào)制

空間矢量調(diào)制模塊提升了DC總線利用率，并且消除了晶體管開關(guān)的短脈沖。與使用正弦PWM相比，可將DC總線利用率提升15%。

三相 PWM 生成

在所有計算的最后，可以得到三相馬達電壓。這些電壓用于生成逆變器中晶體管的開關(guān)信號，PWM模塊為六個(三個高側(cè)和三個低側(cè))晶體管產(chǎn)生開關(guān)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(zāi)難性短路情況，這種情況是由于晶體管的關(guān)斷時間而發(fā)生的?？删幊痰难舆t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由N-MOSFET和P-MOSFET組成的逆變器一起工作。

在 SoC中調(diào)試 FPGA設(shè)計

通常，與在FPGA器件上進行調(diào)試相比，在微控制器上調(diào)試設(shè)計相對比較容易。在SoC中，可以利用FPGA器件的高性能，同時保持在微控制器中更快速調(diào)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(gòu)可以通過AMBA APB or AXI總線相互通信。這樣可以把測試數(shù)據(jù)注入FPGA架構(gòu)中，或者從FPGA架構(gòu)中記錄調(diào)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(diào)試。固件代碼可以按步運行，在代碼中可以設(shè)置斷點來分析FPGA寄存器數(shù)據(jù)。

基于 SmartFusion2 SoC FPGA的多軸馬達控制解決方案通過USB連接至主機PC，并且與圖形用戶界面(GUI)通信，進行啟動和停止馬達，設(shè)置馬達速度數(shù)值和其它系統(tǒng)參數(shù)，并且可表示多達四個系統(tǒng)變量，比如馬達速度、馬達電流和轉(zhuǎn)子角度。

圖4： GUI屏幕快照 – 圖解內(nèi)部參數(shù)：轉(zhuǎn)子角度(綠色)， Valpha (紅色)， Vbeta (黑色)， 馬達速度(藍色)

生態(tài)系統(tǒng)

美高森美提供豐富的IP庫，包括先前章節(jié)討論的實現(xiàn)多項馬達控制功能的IP模塊。這些模塊可以輕易進行定制，并且可以在美高森美FPGA器件之間進行移植。使用Libero SoC軟件中的SmartDesign工具，用戶可以通過圖形形式配置和相互連接這些模塊。借助這些IP模塊，設(shè)計人員能夠顯著減少在FPGA器件中實施馬達控制算法所需的時間。

這些IP模塊在速度高達30，000 RPM和開關(guān)頻率高達400kHz的運行馬達中進行了測試。

工業(yè)通信協(xié)議

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢是使用網(wǎng)絡(luò)來替代點至點通信，從而實現(xiàn)更快的通信速度。實施此類高速通信需要更高的帶寬支持，這對于微控制器或DSP同時處理馬達控制算法并不容易。在許多案例中，需要使用一個附加的微控制器或FPGA來處理各個馬達控制器之間的通信。通常使用的以太網(wǎng)協(xié)議是Profinet、EtherNet/IP和EtherCAT標準，這些標準仍然在不斷演進。其它協(xié)議包括CAN和Modbus。在這種情況下使用SoC方案的優(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)最終系統(tǒng)目標，有可能通過重用IP和協(xié)議堆棧(用于通信)來優(yōu)化系統(tǒng)的成本，或者通過在硬件(FPGA)和軟件(ARM Cortex-M3處理器)中仔細劃分功能來優(yōu)化性能。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件具有內(nèi)置CAN、高速USB、以及一個千兆以太網(wǎng)模塊，這是MSS的一部分。高速SERDES模塊用于實施涉及串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議。

安全性

美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件能夠提供多項設(shè)計和數(shù)據(jù)安全功能，差分功率分析(DPA)認證反篡改保護和加密等設(shè)計安全功能可幫助保護用戶的IP。SoC FPGA器件還包括多項數(shù)據(jù)安全特性，比如糾錯編碼(ECC)硬件加速器、AES-128/256，以及SHA-256服務(wù)。針對于數(shù)據(jù)安全性，提供EnforcIT IP Suite和CodeSEAL軟件安全構(gòu)件。EnforcIT IP套件包括一套可定制內(nèi)核(作為網(wǎng)表)，有效地移動安全層面至硬件中。CodeSEAL將對策措施注入固件中，并且能夠獨立使用，或者作為EnforcIT升級。實施協(xié)議的靈活性允許設(shè)計人員使用多個安全層來認證來自中央監(jiān)控控制器的信息。

可靠性

在多個市場中安全標準的發(fā)展推動了高可靠性需求，SmartFusion2 FPGA器件經(jīng)設(shè)計滿足高可用性、安全關(guān)鍵性和任務(wù)關(guān)鍵性系統(tǒng)需求。以下是SmartFusion2 SoC FPGA器件提供的某些可靠性特性。

SEU免疫能力零FIT率配置

高可靠性工作需要單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)免疫能力零(FIT)率的FPGA配置，由于采用Flash來配置路由矩陣和邏輯模塊中的晶體管，SmartFusion2架構(gòu)對于alpha或中子輻射具有免疫能力?；赟RAM FPGA器件在海平面的FIT率為1k至4k，在海平面之上5000英尺則高出很多。高可靠性應(yīng)用可接受的FIT率低于20，這使得SmartFusion2最適合于這些應(yīng)用。

EDAC保護

SmartFusion2 FPGA器件具有錯誤檢測與校正(EDAC)控制器， SEU錯誤日益普遍，即使在地平面也不例外， 使用該特性，可保證在MSS存儲器上防止SEU錯誤。

無需外部配置器件

在具有大量FPGA器件的復(fù)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花費時間進行配置，這在使用多個FPGA器件的應(yīng)用中帶來了設(shè)計復(fù)雜性。SmartFusion2 SoC FPGA在器件內(nèi)部包括了配置存儲器，這具有上電即可運行的額外優(yōu)勢。

軍用溫度等級器件

SmartFusion2 SoC FPGA器件針對軍用溫度條件進行了全面的測試。美高森美軍用等級FPGA器件提供從10k至150k邏輯單元，并伴有允許訪問加密加速器和數(shù)據(jù)安全功能的特性。

總結(jié)

美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件使用高度優(yōu)化的馬達控制IP模塊和經(jīng)過驗證的參考設(shè)計，能夠提供多項降低工業(yè)設(shè)計TCO(總體擁有成本)的功能。從微控制器遷移的客戶能夠重用某些傳統(tǒng)代碼，同時FPGA設(shè)計人員能夠充分利用FPGA架構(gòu)和ARM Cortex-M3處理器來創(chuàng)建高效的架構(gòu)，允許馬達控制模塊和通信模塊同時集成在單一器件中。通過提供ARM Cortex-M3處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的設(shè)計和智能化分區(qū)，并可針對性能和成本而進行優(yōu)化。MSS還可以在運行時注入和記錄數(shù)據(jù)，加速FPGA設(shè)計調(diào)試。SmartFusion2平臺還提供實施工業(yè)通信協(xié)議的多種選項，這款器件提供多項可同時用于設(shè)計和數(shù)據(jù)安全的安全特性，以及滿足可靠性需求的特性。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)級解決方案。