如何设计多轴电机控制？

现代传动系统要集成控制回路精度、扩展性、网络通信、外设控制、数据和设计安全、功能安全和可靠性等特性，这是十分重要的。此外，电机必须准确并且同步控制，同时不损害性能和确定性，在多轴控制系统中尤其如此。

章应苞

2019-10-23 14:45:44

现代传动系统要集成控制回路精度、扩展性、网络通信、外设控制、数据和设计安全、功能安全和可靠性等特性，这是十分重要的。此外，电机必须准确并且同步控制，同时不损害性能和确定性，在多轴控制系统中尤其如此。

电机消耗的电能占全球电耗的比例非常高。在很大程度上，电机的能耗取决于电机和传动效率。为了降耗、提高传动效率和改善性能，世界各地的监管机构均已实施能源效率标准。因此，电机传动的部署正日益使用高精度、高性能电机控制算法。现代传动系统要集成控制回路精度、扩展性、网络通信、外设控制、数据和设计安全、功能安全和可靠性等特性，这是十分重要的。此外，电机必须准确并且同步控制，同时不损害性能和确定性，在多轴控制系统中尤其如此。为了满足这些控制和集成要求，嵌入式设计人员设计的传动不仅要能够运行复杂的电机控制算法，而且要在连接性日益增加的环境下支持多个外设通信。

微控制器/数字信号处理器解决方案与 FPGA电机控制解决方案的比较

电机控制应用设计传统上采用微控制器（MCU）或数字信号处理器（DSP）来运行电机控制算法。但是，随着人们日益部署具有更高集成水平、扩展性、现有IP重复利用性的高性能工业控制系统，使得FPGA成为优先选择，尤其结合了ARM Cortex M3微控制器和FPGA逻辑资源的解决方案，为许多关键任务提供了理想的分工。它们日益被采纳的原因有几个。

首先，由于架构和访问指令存储器的原因，使得微控制器十分适合用于速度更慢的串行任务，但是，对时间要求更苛刻的并行处理功能的应用，FPGA则是更加理想的选择。例如，在多轴控制中，速度独立的多个电机通过实施确定性控制环路进行控制。通常，多轴电机控制系统还集成了外设控制、传感器接口、保护逻辑/安全和网络通信等功能。与这些功能有关的任务，各自拥有不同的执行时间和优先等级。

微控制器或DSP传动控制器采用屏蔽和中断服务程序来分配每种任务的执行优先等级。某些未屏蔽的任务可能在控制回路之前执行，导致控制回路的实际执行时间不确定。相反，FPGA的控制回路和片上系统（SoC）FPGA与其它过程并行执行，在多轴控制环路中，还可以采用时分多路复用（TDM）方案顺序运行。

张玉

2019-10-23 14:45:53

配备ARM Cortex-M3微控制器的SoC FPGA甚至更高效地执行这种应用：这种FPGA用于按严格确定性定时方式执行的控制回路非常理想，而较低速度的接口则可以与ARM M3微控制器连接（图1）。

图1：基于Flash的SmartFusion2 SoC FPGA实施的高度集成电机控制解决方案

表1：微控制器/数字信号处理器解决方案vs FPGA电机控制解决方案
此外，FPGA解决方案改善了扩展性和性能。正如前述，在基于FPGA的控制中，优先等级更低的任务对控制回路的执行没有影响，因此，增加电机的数量并不会影响控制回路的执行时间。根据需求，可以扩大FPGA上运行的IP组合，从驱动两台无刷DC（BLDC）步机电机通道扩大到六轴解决方案，或将电机性能提高到70000 RPM以上。

此外，采用基于FPGA的多轴控制可以支持高达数百KHz的更高脉冲宽度调制（PWM）开关频率。除集成PWM产生等特性之外，基于FPGA的电机控制器还包括嵌入式处理、控制外设（如USB、PCIe、I2C和CAN）专用块、多用户定义I/O及拥有参考设计的即用型IP库。很重要一点是要记住电机控制算法并非唯一要求的功能。通常，完整的电机控制设计需要一个或多个通信接口和控制I/O。这些接口并非面向高性能，因此，非常适合使用M3等微控制器来实施。通信接口可以是CAN总线、SPI、UART或其它控制总线。SoC FPGA在客户外设和设计其它部分之间提供桥梁，当需要其它外设时，可以采用基于微控制器的SoC FPGA。模块化IP组件还简化了定制和扩展，支持多轴电机或高转动速率解决方案的不同组合，同时满足不断演变的地区技术标准。IP块越紧凑（即整个组合不到10000个逻辑元件），支持集成需求的净空间便越多。

可靠性和安全性是FPGA解决方案的其它两个重要方面。当设计用于卫星太阳能电池板、导向和控制系统、医学扫描仪、核电厂机械及执行器（Actuator）和发动机控制等应用的系统时，航空电子特别重要。许多半导体部件（包括MCU/DSP）易受单粒子翻转（SEU）的影响。可靠性和安全性的最佳选择是基于Flash而不是SRAM）的FPGA。所有配置信息芯片位于非易失性存储器内，它们在启动时绝对不会暴露位流。FPGA用于实施确定性定时非常重要的电机控制和网络功能时也比微控制器可靠。微控制器的定时差异是几毫秒，而FPGA的定时差异仅几纳秒或更低。

FPGA还满足确定性多轴电机控制解决方案的安全挑战要求。在现今的业界中，设计可能被克隆，或其数据可能被篡改或窃取的威胁日益增加。OEM面临的另一个威胁是其处理所有要求设计和IP的供应商或合同制造商或会过度制造。大多数MCU/DSP可能无法提供FPGA固有的高级安全特性水平，这些安全特性能够以分层方法提供硬件安全性、设计安全性和数据安全性（全面安全战略的三个关键要素）。有些基于闪存的FPGA还可以作为拥有关键储存能力的信任根设备，防止超连接工业IoT受到恶意攻击。FPGA采用物理反克隆功能（PUF）等特性应对安全需求，其中在公钥/私钥方案中，采用公钥基础设施（PKI），私钥用于实施M2M验证。其它特性包括加密加速器、随机数发生器、用于保护CUP/DSP内核的硬件防火墙，及差分功率分析（DPA）措施，它们相互配合，使整个系统根据需要对安全进行分层，从而保护硬件和数据。

配备ARM Cortex-M3微控制器的SoC FPGA甚至更高效地执行这种应用：这种FPGA用于按严格确定性定时方式执行的控制回路非常理想，而较低速度的接口则可以与ARM M3微控制器连接（图1）。

图1：基于Flash的SmartFusion2 SoC FPGA实施的高度集成电机控制解决方案

表1：微控制器/数字信号处理器解决方案vs FPGA电机控制解决方案
此外，FPGA解决方案改善了扩展性和性能。正如前述，在基于FPGA的控制中，优先等级更低的任务对控制回路的执行没有影响，因此，增加电机的数量并不会影响控制回路的执行时间。根据需求，可以扩大FPGA上运行的IP组合，从驱动两台无刷DC（BLDC）步机电机通道扩大到六轴解决方案，或将电机性能提高到70000 RPM以上。

此外，采用基于FPGA的多轴控制可以支持高达数百KHz的更高脉冲宽度调制（PWM）开关频率。除集成PWM产生等特性之外，基于FPGA的电机控制器还包括嵌入式处理、控制外设（如USB、PCIe、I2C和CAN）专用块、多用户定义I/O及拥有参考设计的即用型IP库。很重要一点是要记住电机控制算法并非唯一要求的功能。通常，完整的电机控制设计需要一个或多个通信接口和控制I/O。这些接口并非面向高性能，因此，非常适合使用M3等微控制器来实施。通信接口可以是CAN总线、SPI、UART或其它控制总线。SoC FPGA在客户外设和设计其它部分之间提供桥梁，当需要其它外设时，可以采用基于微控制器的SoC FPGA。模块化IP组件还简化了定制和扩展，支持多轴电机或高转动速率解决方案的不同组合，同时满足不断演变的地区技术标准。IP块越紧凑（即整个组合不到10000个逻辑元件），支持集成需求的净空间便越多。

可靠性和安全性是FPGA解决方案的其它两个重要方面。当设计用于卫星太阳能电池板、导向和控制系统、医学扫描仪、核电厂机械及执行器（Actuator）和发动机控制等应用的系统时，航空电子特别重要。许多半导体部件（包括MCU/DSP）易受单粒子翻转（SEU）的影响。可靠性和安全性的最佳选择是基于Flash而不是SRAM）的FPGA。所有配置信息芯片位于非易失性存储器内，它们在启动时绝对不会暴露位流。FPGA用于实施确定性定时非常重要的电机控制和网络功能时也比微控制器可靠。微控制器的定时差异是几毫秒，而FPGA的定时差异仅几纳秒或更低。

FPGA还满足确定性多轴电机控制解决方案的安全挑战要求。在现今的业界中，设计可能被克隆，或其数据可能被篡改或窃取的威胁日益增加。OEM面临的另一个威胁是其处理所有要求设计和IP的供应商或合同制造商或会过度制造。大多数MCU/DSP可能无法提供FPGA固有的高级安全特性水平，这些安全特性能够以分层方法提供硬件安全性、设计安全性和数据安全性（全面安全战略的三个关键要素）。有些基于闪存的FPGA还可以作为拥有关键储存能力的信任根设备，防止超连接工业IoT受到恶意攻击。FPGA采用物理反克隆功能（PUF）等特性应对安全需求，其中在公钥/私钥方案中，采用公钥基础设施（PKI），私钥用于实施M2M验证。其它特性包括加密加速器、随机数发生器、用于保护CUP/DSP内核的硬件防火墙，及差分功率分析（DPA）措施，它们相互配合，使整个系统根据需要对安全进行分层，从而保护硬件和数据。

于敏

2019-10-23 14:45:55

与基于微控制器或DSP的实施相比，基于FPGA的电机控制实施的关键优点是确定性、扩展性和性能、可靠性，以及耐用性及安全性。

● 确定性— 在MCU或DSP实施中，任务顺序运行，执行时间和中断优先等级不同。ISR的执行时间不一定受到限制，因此可能导致不确定。与此相反，FPGA并行运行任务，每个任务的执行时间是确定的，并且总是产生确定性的输出。

● 扩展性和性能 - 对更高开关频率的多轴电机控制来说，MCU/DSP的性能并非最优化。高速电机要求较高开关频率（如500 kHz）和‘ =》 2 µs ’ FOC回路执行。MCU硬件架构（PWM、ADC和GPIO）在控制多个电机方面存在局限性。采用FPGA实施，高级现场定向控制（FOC）的执行时间是1 µs。用于FOC的TDM可用于控制多个电机。任何I/O引脚均可配置用于PWM和ADC接口，FPGA集成了多个工业以太网协议、HMI和其它典型MCU/DSP不支持的接口。

● 可靠性和耐用性 – MCU和DSP易受软失效（SEU）的影响，产品使用寿命短。FPGA不受SEU影响，并且抗多种应用中的辐射，而产品使用寿命通常在20年以上。

● 安全性 –基于MCU/DSP的实施存在篡改、克隆和制造过多的风险，而基于FPGA的实施则拥有防篡改、安全启动、安全通信和强大的安全传承特性。

图2：SmartFusion2双轴电机控制启动器套件（SF2-MC-STARTER-KIT）
电机开发人员要满足今天的能源效率法规和新技术要求，同时要确保设计可扩展以支持不同的多轴电机或高转动速率解决方案组合，非常富有挑战性。基于Flash的SoC FPGA应对了这些挑战，将处理能力与硬件和软件编程性和集成新特性和功能的能力相结合，同时促进了多层安全性。它们提供了先进的特性，如多轴控制、确定性响应、并行处理、功能集成和灵活性，使设计人员能够降低系统的总体拥有成本（TCO）。

与基于微控制器或DSP的实施相比，基于FPGA的电机控制实施的关键优点是确定性、扩展性和性能、可靠性，以及耐用性及安全性。

● 确定性— 在MCU或DSP实施中，任务顺序运行，执行时间和中断优先等级不同。ISR的执行时间不一定受到限制，因此可能导致不确定。与此相反，FPGA并行运行任务，每个任务的执行时间是确定的，并且总是产生确定性的输出。

● 扩展性和性能 - 对更高开关频率的多轴电机控制来说，MCU/DSP的性能并非最优化。高速电机要求较高开关频率（如500 kHz）和‘ =》 2 µs ’ FOC回路执行。MCU硬件架构（PWM、ADC和GPIO）在控制多个电机方面存在局限性。采用FPGA实施，高级现场定向控制（FOC）的执行时间是1 µs。用于FOC的TDM可用于控制多个电机。任何I/O引脚均可配置用于PWM和ADC接口，FPGA集成了多个工业以太网协议、HMI和其它典型MCU/DSP不支持的接口。

● 可靠性和耐用性 – MCU和DSP易受软失效（SEU）的影响，产品使用寿命短。FPGA不受SEU影响，并且抗多种应用中的辐射，而产品使用寿命通常在20年以上。

● 安全性 –基于MCU/DSP的实施存在篡改、克隆和制造过多的风险，而基于FPGA的实施则拥有防篡改、安全启动、安全通信和强大的安全传承特性。

图2：SmartFusion2双轴电机控制启动器套件（SF2-MC-STARTER-KIT）
电机开发人员要满足今天的能源效率法规和新技术要求，同时要确保设计可扩展以支持不同的多轴电机或高转动速率解决方案组合，非常富有挑战性。基于Flash的SoC FPGA应对了这些挑战，将处理能力与硬件和软件编程性和集成新特性和功能的能力相结合，同时促进了多层安全性。它们提供了先进的特性，如多轴控制、确定性响应、并行处理、功能集成和灵活性，使设计人员能够降低系统的总体拥有成本（TCO）。

章伟

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章应苞

张玉

于敏

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