【導讀】現(xiàn)代傳動系統(tǒng)要集成控制回路精度、擴展性、網(wǎng)絡通信、外設控制、數(shù)據(jù)和設計安全、功能安全和可靠性等特性,這是十分重要的。此外,電機必須準確并且同步控制,同時不損害性能和確定性,在多軸控制系統(tǒng)中尤其如此。
電機消耗的電能占全球電耗的比例非常高。在很大程度上,電機的能耗取決于電機和傳動效率。為了降耗、提高傳動效率和改善性能,世界各地的監(jiān)管機構(gòu)均已實施能源效率標準。因此,電機傳動的部署正日益使用高精度、高性能電機控制算法。現(xiàn)代傳動系統(tǒng)要集成控制回路精度、擴展性、網(wǎng)絡通信、外設控制、數(shù)據(jù)和設計安全、功能安全和可靠性等特性,這是十分重要的。此外,電機必須準確并且同步控制,同時不損害性能和確定性,在多軸控制系統(tǒng)中尤其如此。為了滿足這些控制和集成要求,嵌入式設計人員設計的傳動不僅要能夠運行復雜的電機控制算法,而且要在連接性日益增加的環(huán)境下支持多個外設通信。
微控制器/數(shù)字信號處理器解決方案與 FPGA電機控制解決方案的比較
電機控制應用設計傳統(tǒng)上采用微控制器(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)來運行電機控制算法。但是,隨著人們?nèi)找娌渴鹁哂懈呒伤?、擴展性、現(xiàn)有IP重復利用性的高性能工業(yè)控制系統(tǒng),使得FPGA成為優(yōu)先選擇,尤其結(jié)合了ARM Cortex M3微控制器和FPGA邏輯資源的解決方案,為許多關鍵任務提供了理想的分工。它們?nèi)找姹徊杉{的原因有幾個。
首先,由于架構(gòu)和訪問指令存儲器的原因,使得微控制器十分適合用于速度更慢的串行任務,但是,對時間要求更苛刻的并行處理功能的應用,F(xiàn)PGA則是更加理想的選擇。例如,在多軸控制中,速度獨立的多個電機通過實施確定性控制環(huán)路進行控制。通常,多軸電機控制系統(tǒng)還集成了外設控制、傳感器接口、保護邏輯/安全和網(wǎng)絡通信等功能。與這些功能有關的任務,各自擁有不同的執(zhí)行時間和優(yōu)先等級。
微控制器或DSP傳動控制器采用屏蔽和中斷服務程序來分配每種任務的執(zhí)行優(yōu)先等級。某些未屏蔽的任務可能在控制回路之前執(zhí)行,導致控制回路的實際執(zhí)行時間不確定。相反,F(xiàn)PGA的控制回路和片上系統(tǒng)(SoC)FPGA與其它過程并行執(zhí)行,在多軸控制環(huán)路中,還可以采用時分多路復用(TDM)方案順序運行。
配備ARM Cortex-M3微控制器的SoC FPGA甚至更高效地執(zhí)行這種應用:這種FPGA用于按嚴格確定性定時方式執(zhí)行的控制回路非常理想,而較低速度的接口則可以與ARM M3微控制器連接(圖1)。
圖1:基于Flash的SmartFusion2 SoC FPGA實施的高度集成電機控制解決方案
表1:微控制器/數(shù)字信號處理器解決方案vs FPGA電機控制解決方案
此外,F(xiàn)PGA解決方案改善了擴展性和性能。正如前述,在基于FPGA的控制中,優(yōu)先等級更低的任務對控制回路的執(zhí)行沒有影響,因此,增加電機的數(shù)量并不會影響控制回路的執(zhí)行時間。根據(jù)需求,可以擴大FPGA上運行的IP組合,從驅(qū)動兩臺無刷DC(BLDC)步機電機通道擴大到六軸解決方案,或?qū)㈦姍C性能提高到70000 RPM以上。
此外,采用基于FPGA的多軸控制可以支持高達數(shù)百KHz的更高脈沖寬度調(diào)制(PWM)開關頻率。除集成PWM產(chǎn)生等特性之外,基于FPGA的電機控制器還包括嵌入式處理、控制外設(如USB、PCIe、I2C和CAN)專用塊、多用戶定義I/O及擁有參考設計的即用型IP庫。很重要一點是要記住電機控制算法并非唯一要求的功能。通常,完整的電機控制設計需要一個或多個通信接口和控制I/O。這些接口并非面向高性能,因此,非常適合使用M3等微控制器來實施。通信接口可以是CAN總線、SPI、UART或其它控制總線。SoC FPGA在客戶外設和設計其它部分之間提供橋梁,當需要其它外設時,可以采用基于微控制器的SoC FPGA。模塊化IP組件還簡化了定制和擴展,支持多軸電機或高轉(zhuǎn)動速率解決方案的不同組合,同時滿足不斷演變的地區(qū)技術(shù)標準。IP塊越緊湊(即整個組合不到10000個邏輯元件),支持集成需求的凈空間便越多。
可靠性和安全性是FPGA解決方案的其它兩個重要方面。當設計用于衛(wèi)星太陽能電池板、導向和控制系統(tǒng)、醫(yī)學掃描儀、核電廠機械及執(zhí)行器(Actuator)和發(fā)動機控制等應用的系統(tǒng)時,航空電子特別重要。許多半導體部件(包括MCU/DSP)易受單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)的影響。可靠性和安全性的最佳選擇是基于Flash而不是SRAM)的FPGA。所有配置信息芯片位于非易失性存儲器內(nèi),它們在啟動時絕對不會暴露位流。FPGA用于實施確定性定時非常重要的電機控制和網(wǎng)絡功能時也比微控制器可靠。微控制器的定時差異是幾毫秒,而FPGA的定時差異僅幾納秒或更低。
FPGA還滿足確定性多軸電機控制解決方案的安全挑戰(zhàn)要求。在現(xiàn)今的業(yè)界中,設計可能被克隆,或其數(shù)據(jù)可能被篡改或竊取的威脅日益增加。OEM面臨的另一個威脅是其處理所有要求設計和IP的供應商或合同制造商或會過度制造。大多數(shù)MCU/DSP可能無法提供FPGA固有的高級安全特性水平,這些安全特性能夠以分層方法提供硬件安全性、設計安全性和數(shù)據(jù)安全性(全面安全戰(zhàn)略的三個關鍵要素)。有些基于閃存的FPGA還可以作為擁有關鍵儲存能力的信任根設備,防止超連接工業(yè)IoT受到惡意攻擊。FPGA采用物理反克隆功能(PUF)等特性應對安全需求,其中在公鑰/私鑰方案中,采用公鑰基礎設施(PKI),私鑰用于實施M2M驗證。其它特性包括加密加速器、隨機數(shù)發(fā)生器、用于保護CUP/DSP內(nèi)核的硬件防火墻,及差分功率分析(DPA)措施,它們相互配合,使整個系統(tǒng)根據(jù)需要對安全進行分層,從而保護硬件和數(shù)據(jù)。
與基于微控制器或DSP的實施相比,基于FPGA的電機控制實施的關鍵優(yōu)點是確定性、擴展性和性能、可靠性,以及耐用性及安全性。
● 確定性— 在MCU或DSP實施中,任務順序運行,執(zhí)行時間和中斷優(yōu)先等級不同。ISR的執(zhí)行時間不一定受到限制,因此可能導致不確定。與此相反,F(xiàn)PGA并行運行任務,每個任務的執(zhí)行時間是確定的,并且總是產(chǎn)生確定性的輸出。
● 擴展性和性能 - 對更高開關頻率的多軸電機控制來說,MCU/DSP的性能并非最優(yōu)化。高速電機要求較高開關頻率(如500 kHz)和‘ => 2 µs ’ FOC回路執(zhí)行。MCU硬件架構(gòu)(PWM、ADC和GPIO)在控制多個電機方面存在局限性。采用FPGA實施,高級現(xiàn)場定向控制(FOC)的執(zhí)行時間是1 µs。用于FOC的TDM可用于控制多個電機。任何I/O引腳均可配置用于PWM和ADC接口,F(xiàn)PGA集成了多個工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、HMI和其它典型MCU/DSP不支持的接口。
● 可靠性和耐用性 – MCU和DSP易受軟失效(SEU)的影響,產(chǎn)品使用壽命短。FPGA不受SEU影響,并且抗多種應用中的輻射,而產(chǎn)品使用壽命通常在20年以上。
● 安全性 –基于MCU/DSP的實施存在篡改、克隆和制造過多的風險,而基于FPGA的實施則擁有防篡改、安全啟動、安全通信和強大的安全傳承特性。
圖2:SmartFusion2雙軸電機控制啟動器套件(SF2-MC-STARTER-KIT)
電機開發(fā)人員要滿足今天的能源效率法規(guī)和新技術(shù)要求,同時要確保設計可擴展以支持不同的多軸電機或高轉(zhuǎn)動速率解決方案組合,非常富有挑戰(zhàn)性?;贔lash的SoC FPGA應對了這些挑戰(zhàn),將處理能力與硬件和軟件編程性和集成新特性和功能的能力相結(jié)合,同時促進了多層安全性。它們提供了先進的特性,如多軸控制、確定性響應、并行處理、功能集成和靈活性,使設計人員能夠降低系統(tǒng)的總體擁有成本(TCO)。
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