论工业控制系统的FPGA设计方法（5）- FPGA在工业控制器设计中的贡献与限制 控制系统, 设计原则, 电子电路, 控制器, 嵌入式

pengpengpang

上次博文大概介绍了基于FPGA的控制器设计原则，特别是改进算法实现效率的A3原则。本次主要就FPGA在工业控制器设计中的贡献与限制进行讨论。看了看老外的观点，归纳一下，再对比上次我写的博文的观点，差距很大啊；要更加努力学习牛人们的经验，吸收他们的精华！
1. FPGA的应用领域
在设计工业电子电路时，需要考虑一些设计准则，其中较为重要的有设计成本、功耗（在嵌入式系统中尤为重要）、性能等， 还有关键的一点是，选择的硬件技术能够满足算法实现中的具体要求。
接下来具体考虑这些原则在电气控制系统中的应用案例。正如前面的博文所提到的，当今时代，控制器的实现主要有两种硬件解决方案：数字信号处理器（DSPs）与现场可编程门阵列（FPGAs）。因此，设计者需要根据算法的特性（可使用上篇博文中提到的数据流图DFG进行分析）在这两种方案中进行选择。图1给出了选择方法的定性分析。

图1 DSP与FPGA各自的应用领域
图1中的x轴代表算法的时序约束，主要与数据的相关度有关；相关度越大，算法执行的串行性越高，基于DSPs的软件方案较为适合此种情况。另一方面，如果数据流图显示算法表现出较高的并行度（较低的数据相关度、较少的操作冲突），此时FPGA更为适合此领域。
然而，仅使用时序约束，并不能充分地描述一个算法的规模——其复杂度也是一个重要的因素：这使得图1中出现了代表复杂度的y轴。算法的复杂度通过两种方法来评估：运算的数量和它们的规律性。事实上，一个包含大量运算的算法不一定就是复杂的算法——如果它们中的大多数都是基本相同的操作的话，此时可以设计高效的ALU来对这些操作进行优化的处理。
在数字控制的电气系统中，算法一般处在图1中的阴影区域。因为历史原因，此区域中的算法更多的使用DSPs实现；因为基于软件的解决方案较为古老，或者说较为成熟，大多数情况下不会使设计人员感到为难；而对电路的深刻理解要复杂的多，这也从客观上导致了设计方法学和CAD工具的巨大进展，而基于HDL语言的FPGA实现方案也越来越依赖可移植的代码。
B. FGPA在电气控制系统中的优势
鉴于FPGA在控制领域日益凸显的优势，设计者开始越来越多地使用FPGA设计工业电气控制系统中的控制器，其中大部分都含有PWM功率变换器。一个典型的例子是在PWM逆变器中的电流控制器设计。图2给出的例子表明了FPGA在控制应用中具有“准实时”的处理能力。图2中，TADC 代表AD采样与转换时间，Tc是控制算法的执行时间，Ts是采样周期（电机控制系统中常使用固定采样周期的定时中断进行控制算法的执行）。

图2 时间分配
图2(a)对应通用的微控制器的资源占用情况。此方案中主要的限制因素是MCU的计算能力，同时固定的、较长的采样周期导致了控制信号一个半采样周期的延时（计算延时一周期，PWM调制延时半个周期）；这降低了闭环控制系统的带宽，甚至在特定输入下使得控制系统不稳定。信号的波形同样非常不理想。最后需要提到的是，使用这样方案，通常不能满足对功率变换器的直接控制（如滑模控制、磅-磅控制等）。
图2(b)对应于DSPs的实现方案。得益于改进的硬件结构，它的控制效果通常要比前者好，允许对电机的电流在微秒级的时间内进行控制。此外，因为DSPs的运算速度通常较高，控制器的快速性已不再是限制因素；此时，控制系统的性能提高受限于MOSFET、IGBT等开关器件所允许的最大开关频率（等同控制的采样频率）：在低压电机控制系统中不超过10–20 kHz，在中高压变频系统中甚至要低于1kHz。通过仔细的设计，可以将控制系统的延时减小到约50 μs，相比MCU的情况极大地提高了控制性能。基于DSPs可以直接对功率变换器进行控制，但是其效果仍无法与模拟控制器相提并论。
图2(c) 对应于FPGA实现的控制器。得益于它们对算法执行的并行性， FPGA可以仅仅用到开关周期的一小部分就能完成整个复杂的控制算法。这是通过硬件电路实现的，而电路速度与芯片资源占用往往是互相矛盾的。使用A3设计原则和/或流水线技术对算法实现进行优化，可以做到电路速度与资源消耗的平衡 (交流电机控制一般用时1−2 μs)。因此，FPGA下控制算法的执行时间远小于MCU与DSPs方案，从图2中可以轻易对比出。
FPGA的这种快速性，使得基于它的控制器行为与模拟器件方案非常接近。它保留了模拟器件方案的优势（低计算延时，高控制带宽） ，同时又不存在后者的缺陷 (参数漂移、低集成度)。因此，FPGA这种“准模拟”的技术使得它在工业数字控制系统中的优势日益凸显。
另一个不可忽视的问题是，图2(c)表明了在每个采样周期中，FPGA以很短的时间执行完控制算法，而剩余的时间仅处于等待状态，因此只有FPGA的处理能力并没有被充分利用，这是需要设计人员与FPGA工程师进行深入探讨、改进的。
C. FPGA的动态重配置
在DSPs 中，对控制算法的实时重配置只能通过修改软件实现。相反地，基于SRAM的FPGA允许对硬件结构的动态配置；这已经在计算机视觉系统中得到了广泛应用。此外，在电机控制中，根据电机运行状态的变化，对算法实时重配置，可以显著地提高整个控制系统的性能（可以参考E. Monmasson, B. Robyns, E. Mendes, and B. De Fornel, “Dynamic reconfiguration of control and estimation algorithms for induction motor drives,” in Proc. IEEE ISIE Conf., 2002, pp. 828–833.）。
虽然有了上面这样的成功案例，但是对工业控制系统中基于FPGA实现的硬件控制器的部分或全部重配置，仍然需要进一步深入探索。目前主要的限制在于重新配置的速度（比如DSP就可以增量编译下载，而FPGA哪怕是更改一个加法的操作数都要重新综合编译配置，效率相比而言较低）。这个问题也许在不久的将来就会得到很好的解决。
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