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关键字：FPGA SoC 电机控制 ARM A9
最新的FPGA单片系统器件集成了双ARM A9 CPU核心，全套ARM外就是下一代的电机控制。下一代电机控制系统采用了非常快速的控制回路，超过了仅用处理器方案的能力，可提供最高的电机效率。实现现场控制(FOC)的内部控制回路要求最好以浮点方式完成的变换。同时带有双处理器核心和FPGA结构的FPGA SoC最适合这种应用，单只器件就具备了通用处理器，以及用于专门算法的高性能逻辑等功能（见《FPGA与多核CPU如何改变嵌入式设计》）。
电机换向
电机工作遵循基本的电磁原理。磁场吸引与排斥的力产生了转矩，从而使电机旋转运动。
转子与定子都有磁场，磁场的产生可以用永久磁铁，也可以采用电磁方式。当转子旋转时，要求磁场有正确的对准。
磁场必须连续改变，这样，在转子360度旋转过程中，都维持产生转矩的对准。这个过程叫做换向，最基本的方法是使用直流电刷电机。这种电机设计是在定子上使用永久磁铁，而在转子上使用一对或多对电磁铁。为了消除电刷的火花与机械换向时的磨损，可以反过来做电机设计，即把永久磁铁放在转子上，而定子采用电磁铁。用电子换向代替机械换向也可以获得相同效果，这就是所谓的无刷直流电机。
面向现场的控制
在一只直流有刷电机中，控制回路可以轻易地驱动电机电流产生变化，而电刷完成机械换向功能，虽然不算最佳方式完成电子正弦换向，使用的是集成控制回路，使产生有用转矩的磁场分量最大化，而不产生转矩的磁场分量最小化(例如，也许只产生对电机轴承起作用的力)。FOC的目标是确定磁场在所有时间都有精准的方向，以产生最大转矩、消除转矩波动，从而提高电机效率，降低系统的拥有成本。
如图所示FOC功能采用了Park与Clarke变换，以及针对转矩(有用的磁场方向)和磁通(不产生转矩的磁场方向)的PI控制回路。这里使用PI控制器，而不是一般控制系统中常见的PID控制器。
电机通常要使用三个独立的相位。这些相围绕定子复制，给出各个极或绕组的数量。在三相系统中，根据Kirchhoff定律，三相电流之和为零。这意味着，三相电流矢量(a、b和c分量)可以用Clarke变换，表示为两个正交的相位(α、β分量)。Clarke变换在转子的一个确定旋转角上是有效的。
通过采用Park变换，这些电流矢量可以映射到旋转电机的旋转面上。于是，α、β分量被映射为q(正交)和d(直接)分量。这个变换需要转子角度(作为输入值)，转子角度一般是由转子轴上附着的正交编码器决定。因此，Clarke与Park变换需要在转子旋转时做连续地计算。
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