FPGA在电机控制系统设计中的应用 控制系统, 驱动器, 存储器, 通用, 电机

yuyang911220

在工业能耗中，三分之二以上的能耗来自工业电机驱动设备，因此，在工厂费用开支中，高效的电气特性是非常重要的因素。在电机驱动系统中采用速率可变驱动器 (VSD) 来替代传统的驱动器能够显著提高效率，能耗节省了近 40%。在电机控制设计中，设计人员可充分利用 Altera® FPGA 强大的适应能力、精度可调数字信号处理 (DSP) 以及集成系统设计工具等优势，使用VSD 系统的高效平台。

性能调整和集成优势

很多商用 MCU 或者 DSP模块具有通用驱动工作基本单元。但是，这些器件存储器有限，模拟范围较窄，脉冲宽度调制(PWM) 通道数量有限，对多轴系统的支持不足。下一代驱动功能对性能的要求更高，需要提高电机效率，所采用的平台应具有性能调整功能，以满足处理和DSP 需求，同时能够灵活的集成并优化系统。


图1 电机控制 FPGA优化设计流程

FPGA 很容易根据应用需求来调整性能。设计人员可以在 FPGA 中嵌入多个处理器或者使用灵活的 DSP功能，然后，采用其他的逻辑、定制指令或者所支持的多种工业网络协议。设计人员利用Altera FPGA可以实现多种嵌入式处理器，独立控制每一个子系统。Altera FPGA的并行特性支持电机控制系统构建模块的集成。例如，Altera Nios® II嵌入式处理器 (32位RISC软核处理器)可以控制各种接口以及传感器和编码器。设计人员可以使用精度可调浮点 DSP模块完成磁场定向控制 (FOC)或者其他需要大量数学计算的算法。

图2所示为能够集成到 FPGA中的各种单元，用于建立一个“单芯片驱动”系统。集成IP功能能够并行运行，保证了在顺序操作或者延时操作中不会出现瓶颈。



图2 FOC模型包括复杂数学算法

这一设计流程支持IP的集成，包括：

• 位置反馈——具有高精度位置反馈功能的编码器，例如，EnDAT、Hiperface，以及BiSS，支持 10倍速和位置数据。

• IGBT控制——使用绝缘栅极双极晶体管 (IGBT)，切换到驱动 AC电机所需要的高电压。在 IGBT的栅极输入上使用空间矢量调制(SVM)技术，产生驱动电机所需要的正弦电压波形。IGBT可以是 2级或者 3级变量。

• ADC接口——与外部模数转换器(ADC)连接，测量电机的反馈电流。很容易将Sigma delta (SD) ADC与大驱动电压实现光电隔离，降低噪声，支持 FPGA对其输出进行采样，实现快速精确的读取操作。

• 网络接口——在 FPGA中实现实时协议，以适应实际应用所需要的工业以太网协议标准，例如，Ethernet/IP、PROFINET IO/IRT和 EtherCAT。工业以太网在工业驱动中的应用越来越广泛。

这些基于 DSP的电机控制功能、通信以及接口标准的大量应用使得FPGA成为工业电机驱动的理想平台。

处理复杂数学算法

各种驱动技术的差别很大，具体取决于电机类型及其应用。例如，控制电泵和风扇的驱动器有不同的要求和反馈机制，以便控制 CNC电机或者封装设备。从这些编码器和传感器中采集到的数据被反馈到控制系统中，用于进行数学计算，以确定目标系统负载和扭矩的电压电平。

例如，常用的永磁体同步电机 (PMSM)使用需要大量数学算法的 FOC功能作为控制环算法的一部分，该功能也称为矢量控制。在需要精确扭矩控制的工业伺服电机中，也经常采用FOC。FOC技术有助于减小电机体积、成本和功耗。FOC精确的测量电压电平以及相应的电机速度，更好的控制速度和扭矩，即使负载变化了也能够提供恒定扭矩。此外，FOC还减小了扭矩波纹和电磁干扰。但是，如图3所示，这一数学模型非常复杂，高速运行这一算法时需要很强的计算能力。

FOC涉及到对电机正弦 3相电流的实时控制，以建立平滑的旋转磁通量码型，其旋转频率对应于正弦波的频率。该方法控制电流矢量的振幅，将其维持在相对于转子磁通量轴 90度的位置(“正交”电流)。这样，设计人员可以控制扭矩，同时将直流电流分量(0度 )保持在零。这一算法涉及到以下步骤：

1. 使用Clarke和Park变换，将编码器的3相反馈电流输入和转子位置转换为正交和直流电流分量。

2. 使用这些电流分量作为两个并行运行的比例和积分(PI)控制器的输入，将直流电流限制为零，把正交电流保持在所需的扭矩水平上。

3. 通过Clarke和Park反变换，将PI控制器的直接和正交电流输出转换回3相电流。

Altera FPGA提供一款精度可调DSP模块，能够灵活选择满足要求的精度级，而且还支持单精度和双精度浮点类型。这些因素使得 DSP模块成为实现 FOC环和其他复杂数学算法的理想选择。集成DSP模块是很多Altera 28-nm FPGA体系结构所具有的特性，支持每一模块在编译时配置为18位或者高精度模式。

利用功能强大的开发工具

优化电机控制设计需要通用工具(以及实用的工具流程 )对系统进行建模和仿真，实现低延时复杂算法，将系统集成在一起，精确的调整性能，以满足电机驱动的实际需求。设计人员使用集成工具流程(图4所示)，能够缩短开发时间，提供更灵活、功能更强大的模型，以适应不同类型的驱动系统。



图3 FOC模型


图4 电机控制 FPGA优化设计流程

Altera为嵌入式工业设计人员提供功能强大而且使用方便的开发工具，例如， Quartus® II设计软件和 MegaCore® IP库。Altera还提供系统集成工具，例如Qsys 或者 SOPC Builder实现面向任务的操作，以及 DSP Builder来优化 DSP。此外， Altera提供基于 Eclipse的Nios II嵌入式设计套装 (EDS)，更方便的通过设计流程来完善 FPGA硬件。

Nios II嵌入式设计套装

Altera 提供基于 Eclipse的 Nios II EDS、Nios II嵌入式处理器等功能强大而且使用方便的嵌入式开发工具，支持标准操作系统(OS)以及来自多家流行供应商的实时操作系统(RTOS)。Nios II EDS 支持包含多个通用32位RISC 软核处理器的工程的开发。这些处理器的性能高达 340 MIPS(Dhrystones 2.1)，可以独立拥有各自的定制指令集、数据通路和地址空间。

Qsys和 SOPC Builder系统集成工具

Altera的 Quartus II开发软件包括最新的 Qsys(以及传统的 SOPC Builder)系统集成工具。这些工具有助于设计人员自动完成硬件组件集成任务，定义并生成完整的芯片系统(SoC)。Qsys或者 SOPC Builder并不是使用传统的设计方法来手动定义和连接HDL模块，而是在GUI中帮助您定义系统组件，然后自动生成互联逻辑。这些工具生成定义系统中所有组件的 HDL文件，然后，顶层HDL文件将所有组件连接起来。这些工具生成 Verilog HDL或者 VHDL。

这些系统集成工具使用Avalon®接口来连接逻辑器件(片内或者片外)。在电机系统中，Avalon接口连接软核处理器以及驱动系统的其他单元。这降低了系统集成的复杂度，实现了连续直观的最优系统。互联架构支持通过从机侧仲裁进行同时多主机处理，从而管理这些连接。这些工具在每一从机端口前插入仲裁模块，以满足不同主机的要求，从主机和从机端口中提取出系统详细的互联信息。图5显示了连接系统中多个从机和主机的互联架构。