如何设计基于SoC FPGA的工业和马达控制方案？

工业系统通常由微控制器和FPGA器件等组成，美高森美（Microsemi® ）基于 SmartFusion®2 SoC FPGA的马达控制解决方案是使用高集成度器件为工业设计带来更多优势的一个范例。

秦涌安

2019-10-10 14:46:25

本白皮书重点探讨用于工业系统的SmartFusion2系列器件的特性，以及这款器件在TCO（总体拥有成本）概念上比传统架构好的方面。
工业市场的最新发展一直在推动对高集成度的高性能、低功耗FPGA器件的需求，设计人员对网络通信的偏好超过点对点通信，这意味着通信应用可能需要额外的控制器，间接地增大了材料清单（BOM）成本、威廉希尔官方网站板尺寸，以及相关的一次性工程（NRE）费用。TCO是用于分析和评估的生命周期成本的概念，它是与设计相关的所有直接和间接成本的扩展。这些成本包括工程成本、安装和维护成本、BOM、NRE （R&D）成本及其它，也可能通过考虑系统级因素来实现TCO最小化，从而带来可持续的长期赢利能力。
美高森美提供具有ARM® Cortex®-M3微控制器硬核、IP集成，以及成本优化封装，并且具有更小BOM清单和威廉希尔官方网站板尺寸的SmartFusion2 SoC FPGA器件。凭借低功耗特性和宽工作温度范围，这些器件能够在极端条件下可靠工作，且无需风扇冷却。通过集成ARM Cortex-M3 IP 和 FPGA fabric，还可以实现更高的设计灵活性和更快的上市速度。美高森美能够提供多轴马达控制的多种参考设计和IP生态系统，用于开发马达控制算法，从而简化从多处理器解决方案向单一器件解决方案，即向SoC FPGA器件的转变。
TCO影响因素
以下是影响系统TCO的一些因素。
1. 长生命周期
FPGA器件可以重新编程，即使部署在现场中也不例外，这样可以延长产品生命周期，允许设计人员集中精力以更快的速度开发新产品。
2. BOM
美高森美基于flash 的FPGA器件无需导引PROM或flash MCU在FPGA上电时载入数据，它们是零级（level zero）非易失性/即时开启器件。与基于SRAM的FPGA器件不同，由于flash开关不会发生电压下降（brown out），美高森美基于flash的FPGA器件无需额外的上电监控器。
3. 上市时间
OEM厂商之间的激烈竞争要求设计具有更多的产品差异化和更快的上市速度，提供多款经过测试的IP模块可以大幅减少设计时间。市场已有多款构建工业解决方案所需的IP模块，同时，还有多款IP模块正在开发之中。SoC方案提供的另一项独特优势是调试FPGA设计，为了调试FPGA设计，可经由高速接口，利用微控制器子系统（MSS）来提取FPGA器件中的信息。
4. 工程工具成本
一般都认为FPGA工具非常昂贵，美高森美提供具有免费金（gold）许可授权的Libero® 系统级芯片（SoC）或集成开发环境（IDE），仅在开发高端设备时需要付费的许可授权。
工业驱动系统
工业驱动系统包括一个马达控制组件和一个通信组件，马达控制组件包括驱动逆变器逻辑和保护逻辑。通信组件则实现监控控制，负责实施运行时间参数的初始化和修改。
在典型驱动应用中，可能使用多个控制器器件来实施驱动逻辑。一个器件可能执行与马达控制算法相关的计算，第二个器件可能工作与通信相关的任务，第三个器件可能运行与安全相关的任务。

图1：工业驱动系统
多轴马达控制
传统上的工业马达控制采用微控制器或数字信号处理（DSP）器件来运行马达控制所需要的复杂算法。在大多数传统的工业驱动中，FPGA器件与微控制器或DSP一起用于数据采集和快速动作保护。除去数据采集、脉宽调制（PWM）生成和保护逻辑，传统上，FPGA器并未在实施马达控制算法方面发挥着重要作用。
这种方法使用微控制器或DSP来实施马达控制算法，并不容易扩展至控制超过一个在独立速率下（多轴马达控制）运行的马达，美高森美SmartFusion2器件能够使用单一器件来实施完整的集成式多轴马达驱动控制。
控制方面可以分为两个部分，一部分是与运行磁场定向控制（FOC）算法、速度控制、电流控制、速度估算、位置估算，以及PWM生成相关，另一部件则包括速度曲线、负载特性、过程控制，以及保护（故障和警报）。执行FOC算法是时间关键的任务，并且要求在极高的采样速率下实施（在微秒范围内），尤其是具有低定子电感的高速马达，这就需要在FPGA器件中实施FOC算法。过程控制、速度曲线，以及其它保护无需快速更新，因而，可以在较低的采样速率下进行（在毫秒范围内），并且能够在内置Cortex-M3处理器中进行编程。
晶体管开关周期在驱动中发挥着重要作用，如果FOC 回路执行时间比开关阶段缩短很多，可将硬件模块重用于计算第二个马达的电压，这意味着在相同的成本下器件的性能更好。

图 2：基于SmarFusion2 FPGA器件的马达控制

马达控制IP模块
PI控制器
比例积分（PI）控制器是用于控制系统参数的反馈机制，PI控制器具有两个可调节的增益参数，用于控制控制器的动态响应——比例增益常数和积分增益常数。PI控制器的比例分量是比例增益常数和误差输入的乘积，而积分分量则是累积误差和积分增益常数的乘积。而后，这两个分量相加。PI控制器的积分阶段会导致系统不稳定，这是由于数据值不可控制的增加。这种不可控制的数据增加称为卷积（wind-up），所有PI控制器实施方案包括一个抗卷积（anti-windup）机制，用于确保控制器输出是有限的。美高森美PI控制器IP模块使用保持饱和（hold-on-saturation）算法来实现抗卷积，这个模块还提供设置初始输出值的附加特性。
图3所示为无刷FOC算法框图，这些模块作为IP core以供使用，本节将会逐一对他们展开讨论。

图3：永磁同步马达FOC算法框图

FOC变换
磁场定向控制（FOC）是通过独立地确定和控制转矩和磁化电流分量来提供最佳马达电流的算法，在永磁同步马达（PMSM）中，转子已经磁化，因此，为马达提供的电流只用于转矩。FOC是计算密集算法，但是，美高森美马达控制参考设计已经针对器件资源的最优化而构建的，FOC算法包括Clarke、Park、逆Clarke和逆Park变换。
位置和速度估算器
FOC需要精确的转子位置和速度作为输入，精确确定转子角度对于确保低功耗是必不可少的。增添确定位置和速度的物理传感器，导致系统的成本增加，并降低可靠性。无传感器算法有助于省去传感器，但是增加了计算复杂性。
PLL
锁相环（PLL）用于同步信号，PLL在很多应用中有使用，比如角度估算和逆变器的网格同步。

沈艳丽

2019-10-10 14:46:30

速率限制器
速率限制器模块可以实现系统变量或输入的平滑改变。例如，在马达控制系统中，如果马达所需的速度出现突变，系统可能变得不稳定。为了避免此类现象，速率限制器模块用于从初始速度转变到所需的速度。速率限制器模块可以进行配置以控制速率的改变。
空间矢量调制
空间矢量调制模块提升了DC总线利用率，并且消除了晶体管开关的短脉冲。与使用正弦PWM相比，可将DC总线利用率提升15%。
三相 PWM 生成
在所有计算的最后，可以得到三相马达电压。这些电压用于生成逆变器中晶体管的开关信号，PWM模块为六个（三个高侧和三个低侧）晶体管产生开关信号，并且具有死区时间和延迟时间插入等先进特性。可编程的死区时间插入特性有助于避免逆变器引脚上的灾难性短路情况，这种情况是由于晶体管的关断时间而发生的。可编程的延迟插入特性使ADC测量与PWM信号生成能够同步。该模块可以配置成与仅由N-MOSFET组成的逆变器或同时由N-MOSFET和P-MOSFET组成的逆变器一起工作。
在 SoC中调试 FPGA设计
通常，与在FPGA器件上进行调试相比，在微控制器上调试设计相对比较容易。在SoC中，可以利用FPGA器件的高性能，同时保持在微控制器中更快速调试的优势。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA中的微控制器子系统和FPGA架构可以通过AMBA APB or AXI总线相互通信。这样可以把测试数据注入FPGA架构中，或者从FPGA架构中记录调试数据，从而帮助实现运行时间的内部数据可视化，用于实时调试。固件代码可以按步运行，在代码中可以设置断点来分析FPGA寄存器数据。
基于 SmartFusion2 SoC FPGA的多轴马达控制解决方案通过USB连接至主机PC，并且与图形用户界面（GUI）通信，进行启动和停止马达，设置马达速度数值和其它系统参数，并且可表示多达四个系统变量，比如马达速度、马达电流和转子角度。

图4： GUI屏幕快照 – 图解内部参数：转子角度（绿色）， Valpha （红色）， Vbeta （黑色），马达速度（蓝色）
生态系统
美高森美提供丰富的IP库，包括先前章节讨论的实现多项马达控制功能的IP模块。这些模块可以轻易进行定制，并且可以在美高森美FPGA器件之间进行移植。使用Libero SoC软件中的SmartDesign工具，用户可以通过图形形式配置和相互连接这些模块。借助这些IP模块，设计人员能够显着减少在FPGA器件中实施马达控制算法所需的时间。
这些IP模块在速度高达30，000 RPM和开关频率高达400kHz的运行马达中进行了测试。
工业通信协议
工业网络的发展趋势是使用网络来替代点至点通信，从而实现更快的通信速度。实施此类高速通信需要更高的带宽支持，这对于微控制器或DSP同时处理马达控制算法并不容易。在许多案例中，需要使用一个附加的微控制器或FPGA来处理各个马达控制器之间的通信。通常使用的以太网协议是Profinet、EtherNet/IP和EtherCAT标准，这些标准仍然在不断演进。其它协议包括CAN和Modbus。在这种情况下使用SoC方案的优势是在单一FPGA平台上支持多种工业以太网协议标准。
根据最终系统目标，有可能通过重用IP和协议堆栈（用于通信）来优化系统的成本，或者通过在硬件（FPGA）和软件（ARM Cortex-M3处理器）中仔细划分功能来优化性能。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件具有内置CAN、高速USB、以及一个千兆以太网模块，这是MSS的一部分。高速SERDES模块用于实施涉及串行数据传输的协议。
安全性
美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件能够提供多项设计和数据安全功能，差分功率分析（DPA）认证反篡改保护和加密等设计安全功能可帮助保护用户的IP。SoC FPGA器件还包括多项数据安全特性，比如纠错编码（ECC）硬件加速器、AES-128/256，以及SHA-256服务。针对于数据安全性，提供EnforcIT IP Suite和CodeSEAL软件安全构件。EnforcIT IP套件包括一套可定制内核（作为网表），有效地移动安全层面至硬件中。CodeSEAL将对策措施注入固件中，并且能够独立使用，或者作为EnforcIT升级。实施协议的灵活性允许设计人员使用多个安全层来认证来自中央监控控制器的信息。
可靠性
在多个市场中安全标准的发展推动了高可靠性需求，SmartFusion2 FPGA器件经设计满足高可用性、安全关键性和任务关键性系统需求。以下是SmartFusion2 SoC FPGA器件提供的某些可靠性特性。
SEU免疫能力零FIT率配置
高可靠性工作需要单粒子翻转（SEU）免疫能力零（FIT）率的FPGA配置，由于采用Flash来配置路由矩阵和逻辑模块中的晶体管，SmartFusion2架构对于alpha或中子辐射具有免疫能力。基于SRAM FPGA器件在海平面的FIT率为1k至4k，在海平面之上5000英尺则高出很多。高可靠性应用可接受的FIT率低于20，这使得SmartFusion2最适合于这些应用。
EDAC保护
SmartFusion2 FPGA器件具有错误检测与校正（EDAC）控制器， SEU错误日益普遍，即使在地平面也不例外，使用该特性，可保证在MSS存储器上防止SEU错误。
无需外部配置器件
在具有大量FPGA器件的复杂系统中，使用外部配置器件会降低可靠性。在上电时，FPGA花费时间进行配置，这在使用多个FPGA器件的应用中带来了设计复杂性。SmartFusion2 SoC FPGA在器件内部包括了配置存储器，这具有上电即可运行的额外优势。
军用温度等级器件
SmartFusion2 SoC FPGA器件针对军用温度条件进行了全面的测试。美高森美军用等级FPGA器件提供从10k至150k逻辑单元，并伴有允许访问加密加速器和数据安全功能的特性。

速率限制器
速率限制器模块可以实现系统变量或输入的平滑改变。例如，在马达控制系统中，如果马达所需的速度出现突变，系统可能变得不稳定。为了避免此类现象，速率限制器模块用于从初始速度转变到所需的速度。速率限制器模块可以进行配置以控制速率的改变。
空间矢量调制
空间矢量调制模块提升了DC总线利用率，并且消除了晶体管开关的短脉冲。与使用正弦PWM相比，可将DC总线利用率提升15%。
三相 PWM 生成
在所有计算的最后，可以得到三相马达电压。这些电压用于生成逆变器中晶体管的开关信号，PWM模块为六个（三个高侧和三个低侧）晶体管产生开关信号，并且具有死区时间和延迟时间插入等先进特性。可编程的死区时间插入特性有助于避免逆变器引脚上的灾难性短路情况，这种情况是由于晶体管的关断时间而发生的。可编程的延迟插入特性使ADC测量与PWM信号生成能够同步。该模块可以配置成与仅由N-MOSFET组成的逆变器或同时由N-MOSFET和P-MOSFET组成的逆变器一起工作。
在 SoC中调试 FPGA设计
通常，与在FPGA器件上进行调试相比，在微控制器上调试设计相对比较容易。在SoC中，可以利用FPGA器件的高性能，同时保持在微控制器中更快速调试的优势。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA中的微控制器子系统和FPGA架构可以通过AMBA APB or AXI总线相互通信。这样可以把测试数据注入FPGA架构中，或者从FPGA架构中记录调试数据，从而帮助实现运行时间的内部数据可视化，用于实时调试。固件代码可以按步运行，在代码中可以设置断点来分析FPGA寄存器数据。
基于 SmartFusion2 SoC FPGA的多轴马达控制解决方案通过USB连接至主机PC，并且与图形用户界面（GUI）通信，进行启动和停止马达，设置马达速度数值和其它系统参数，并且可表示多达四个系统变量，比如马达速度、马达电流和转子角度。

图4： GUI屏幕快照 – 图解内部参数：转子角度（绿色）， Valpha （红色）， Vbeta （黑色），马达速度（蓝色）
生态系统
美高森美提供丰富的IP库，包括先前章节讨论的实现多项马达控制功能的IP模块。这些模块可以轻易进行定制，并且可以在美高森美FPGA器件之间进行移植。使用Libero SoC软件中的SmartDesign工具，用户可以通过图形形式配置和相互连接这些模块。借助这些IP模块，设计人员能够显着减少在FPGA器件中实施马达控制算法所需的时间。
这些IP模块在速度高达30，000 RPM和开关频率高达400kHz的运行马达中进行了测试。
工业通信协议
工业网络的发展趋势是使用网络来替代点至点通信，从而实现更快的通信速度。实施此类高速通信需要更高的带宽支持，这对于微控制器或DSP同时处理马达控制算法并不容易。在许多案例中，需要使用一个附加的微控制器或FPGA来处理各个马达控制器之间的通信。通常使用的以太网协议是Profinet、EtherNet/IP和EtherCAT标准，这些标准仍然在不断演进。其它协议包括CAN和Modbus。在这种情况下使用SoC方案的优势是在单一FPGA平台上支持多种工业以太网协议标准。
根据最终系统目标，有可能通过重用IP和协议堆栈（用于通信）来优化系统的成本，或者通过在硬件（FPGA）和软件（ARM Cortex-M3处理器）中仔细划分功能来优化性能。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件具有内置CAN、高速USB、以及一个千兆以太网模块，这是MSS的一部分。高速SERDES模块用于实施涉及串行数据传输的协议。
安全性
美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件能够提供多项设计和数据安全功能，差分功率分析（DPA）认证反篡改保护和加密等设计安全功能可帮助保护用户的IP。SoC FPGA器件还包括多项数据安全特性，比如纠错编码（ECC）硬件加速器、AES-128/256，以及SHA-256服务。针对于数据安全性，提供EnforcIT IP Suite和CodeSEAL软件安全构件。EnforcIT IP套件包括一套可定制内核（作为网表），有效地移动安全层面至硬件中。CodeSEAL将对策措施注入固件中，并且能够独立使用，或者作为EnforcIT升级。实施协议的灵活性允许设计人员使用多个安全层来认证来自中央监控控制器的信息。
可靠性
在多个市场中安全标准的发展推动了高可靠性需求，SmartFusion2 FPGA器件经设计满足高可用性、安全关键性和任务关键性系统需求。以下是SmartFusion2 SoC FPGA器件提供的某些可靠性特性。
SEU免疫能力零FIT率配置
高可靠性工作需要单粒子翻转（SEU）免疫能力零（FIT）率的FPGA配置，由于采用Flash来配置路由矩阵和逻辑模块中的晶体管，SmartFusion2架构对于alpha或中子辐射具有免疫能力。基于SRAM FPGA器件在海平面的FIT率为1k至4k，在海平面之上5000英尺则高出很多。高可靠性应用可接受的FIT率低于20，这使得SmartFusion2最适合于这些应用。
EDAC保护
SmartFusion2 FPGA器件具有错误检测与校正（EDAC）控制器， SEU错误日益普遍，即使在地平面也不例外，使用该特性，可保证在MSS存储器上防止SEU错误。
无需外部配置器件
在具有大量FPGA器件的复杂系统中，使用外部配置器件会降低可靠性。在上电时，FPGA花费时间进行配置，这在使用多个FPGA器件的应用中带来了设计复杂性。SmartFusion2 SoC FPGA在器件内部包括了配置存储器，这具有上电即可运行的额外优势。
军用温度等级器件
SmartFusion2 SoC FPGA器件针对军用温度条件进行了全面的测试。美高森美军用等级FPGA器件提供从10k至150k逻辑单元，并伴有允许访问加密加速器和数据安全功能的特性。

洪茗苞

2019-10-10 14:46:41

总结
美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件使用高度优化的马达控制IP模块和经过验证的参考设计，能够提供多项降低工业设计TCO（总体拥有成本）的功能。从微控制器迁移的客户能够重用某些传统代码，同时FPGA设计人员能够充分利用FPGA架构和ARM Cortex-M3处理器来创建高效的架构，允许马达控制模块和通信模块同时集成在单一器件中。通过提供ARM Cortex-M3处理器，能够实现灵活的设计和智能化分区，并可针对性能和成本而进行优化。MSS还可以在运行时注入和记录数据，加速FPGA设计调试。SmartFusion2平台还提供实施工业通信协议的多种选项，这款器件提供多项可同时用于设计和数据安全的安全特性，以及满足可靠性需求的特性。SmartFusion2系列器件备有强大的生态系统支持，能够帮助客户以最低TCO来开发工业级解决方案。
电子发烧友《机器人技术特刊》

苏宇樵

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沈艳丽

洪茗苞

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