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自从去年7月看了IEEE工业电子委员会发布的一份关于FPGA在工业控制系统中应用与设计的报告之后，发现了FPGA在工业控制，特别是电机驱动领域的巨大潜力，心里便有亲自实践一下的想法；恰逢其时，创新网发布了《FPGA开发全攻略》，提供了引路人的作用， 于是便购买了开发板，基本熟练之后又购买芯片和制作实验板，还专门招了两个大四的保研学生从头培养。因为大家都喜欢Xilinx的芯片，于是所有的设计都是基本基于Spartan平台展开，视具体实现情况考虑是否进入更高端的器件（至少在一段时间之内还暂时不需要更改，因为国外的大牛们好多用一片Spartan3 XC3S400芯片就实验了整个复杂的电机控制算法）。
摸索了一段时间，也经历了盲人摸象那样的时期，慢慢算是有一点门路了。为了首先形成整体层面上的概念、把握整体框架，在IEEE电力电子杂志、IEEE工业电子杂志（本专业方向最权威的两本学术刊物）上拜读了大牛们的观点，并结合创新网专家们的博文及赛灵思网站上的相关应用报告，将此方面的心得汇总成接下来的几篇博文，包括应用现状、设计方法等，欢迎大家分享，并指出不足之处，以便一起进步到更高的层次。
近年来超大规模集成（VLSL）技术和电子设计自动化（EDA）技术的进步，为电子工业发展创造了一个机会，那就是制造出更加复杂和紧凑的高性能工业电气控制器。如今，工程师利用现代的EDA工具来创建、仿真和验证设计，并且无须依靠硬件，在第一时间调整最终产品的运行时就可快速且高可靠性地评估复杂系统和方案。
基于软件的、日趋高性能和资源丰富的器件，如微处理器或数字信号处理器（DSP），极大地方便了今天的工业控制系统的数字化实现。然而，基于现场可编程门阵列（FPGA）的技术正在日益凸显其重要性与灵活性：事实上，结合低成本（由于其可重编程）的器件，并使用便捷的软件工具，FPGA技术目前被越来越多的设计师应用在各个领域，例如有线和无线通讯，以及图像和信号处理，其庞大的数据吞吐量在过去是靠不断增加芯片的密度来取代的。在医疗设备、机器人、汽车和航空航天的嵌入式控制系统这些嵌入式应用领域，基于如功耗、热能管理、可靠性以及对太阳辐射的保护等因素，FPGA技术显得尤为重要。正因如此，最后，工业电气控制系统也对此技术表示了极大的兴趣，这是因为这项技术性能是如此空前的增长，同时也因为它能降低控制系统的成本，在本系列博文的后续部分将针对个案研究作简要介绍。事实上，FPGA已经成功应用在许多电子系统应用中，例如电源转换控制器、脉宽调制（PWM）逆变器、功率因数校正器、多层次的转换器、矩阵转换器、软开关变换器、静止无功补偿器（STATCOM）、电机控制的驱动器，运动控制、多机系统，神经网路（NN）的异步电机控制，发电机模糊逻辑控制，和速度的测量等。这是因为基于FPGA的控制器能够有效地回应这一领域当前和未来的挑战。其中，我们可以举出以下几个重要因素：
1） 至少有三个原因可以使成本降低。使用这种结构仅仅是基于需要某些算法执行的特殊情况，这些高度先进和完善的算法缩短了所谓的“上市时间”。与此同时，一个完整的控制系统，包括其模拟接口，都可以集成到单片FPGA中，这也称为片上系统（SoC）。
2） 高保密性、特定的架构、再结合公司专有技术，这样使得它是不容易复制的。
3） 嵌入式系统能够解决很多制约在航空应用上的因素，如功耗限制、散热的考虑、可靠性的程度和突发事件的保护等。
4） 改善控制性能。例如，通过设计成并行体系结构，可以大大缩短执行时间，同时也可以让基于FPGA的控制器来达到与同等级其他类型控制器无差别的性能水平，且不存在之前控制器的某些缺陷（如参数漂移，缺乏灵活性）。此外，基于FPGA的控制器可以通过动态地配置参数以满足设备执行时间的需要。这些将在后续博文中作进一步讨论。
后面的博文中，将首先提供一个在工业控制系统使用FPGA的概述，同时也将描绘通用的FPGA架构和计算机辅助设计（CAD）开发的特征，以及主要的设计规则，包括核心的控制算法，在应用中如何重复利用算法，这样可以积累设计经验，在这种“Adequation”（A3）算法结构之下，可以在达到要求的指标性能的同时使模块最优化。然后分析，在当今的工业环境中，使用FPGA作为电气系统控制器的意义和限制不足之处。接下来简短的提到一个基于FPGA的智能控制器的调查，将举出几个案例说明使用使用FPGA实现工业设计的好处，其中包括：异步电动机直接转矩（DTC）控制、同步电动机的调节器设计等。[1-11]
图1 我们搭建的使用FPGA驱动逆变器，带三相RL负载的平台（最左下角为自制的FPGA实验板）
参考文献:
[1] Henry M, Monmasson E. FPGAs used in industrial control and instrumentation systems [C]. Industrial Electronics, 2008. ISIE 2008. IEEE International Symposium on, 2008.
[2] Naouar M W, Ammar Naassani A, Monmasson E, et al. FPGA-based predictive current controllerfor synchronous machine speed drive [J]. IEEE Transactions on Power Electronics. 2008, 23(4): 2115-2126.
[3] Monmasson E, Cirstea M N. FPGA design methodology for industrial control systems - a review [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2007, 54(4): 1824-1842.
[4] Naouar M, Monmasson E, Naassani A A, et al. FPGA-based current controllers for ac machine drives - a review [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2007, 54(4): 1907-1925.
[5] Yuen F C, Moallem M, Wei W. Design and Implementation of Modular FPGA-Based PID Controllers [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2007, 54(4): 1898-1906.
[6] Lienhardt A M, Gateau G, Meynard T A. Digital Sliding-Mode Observer Implementation Using FPGA [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2007, 54(4): 1865-1875.
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[9] Wirtz F. Getting Started: FPGAs in Motor Control (Application Note: Spartan and Virtex FPGA Families)Xilinx, Inc., 2005.
[10] Hackney C. Logic-Based AC Induction Motor Controller (Application Note: Spartan and Virtex FPGA Families)Xilinx, Inc., 2005.
[11] Idkhajine L, Monmasson E, Naouar M W, et al. Fully integrated FPGA-based controller for synchronous motor drive [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009, 56(10): 4006-4017.
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