三大电机控制方案之FPGA篇（1）：Actel Fusion

　　当前电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化，现场也提出越来越苛刻的性能要求。因此客户有可能考虑自己开发专用的控制芯片，FPGA的可编程性正是可以满足这种需求。

　　对于电机控制提出的不同要求，FPGA芯片固有的可编程性和并行处理的特点十分适合于中高端的电机控制应用。由于它以纯硬件的方式进行并行处理，而且不占用CPU的资源，所以可以使系统达到很高的性能。

　　在电机控制的市场上，众多专注于FPGA技术的厂商接连推出了各具特色的解决方案，本系列将会为大家介绍这些厂商以及它们在电机控制领域的代表产品。首先，是身为FPGA三大巨头之一的Actel 公司。

　　Actel Fusion系列器件

　　Actel Fusion系列器件是业界首款也是唯一具有模拟功能的Flash架构的FPGA，融合了FPGA数字内核、A/D转换器、Flash存储器、模拟的I /0、RTC等数字和模拟器件。Fusion器件内部具有2～8 Mbit不等的用户可用Flash存储器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks／s采样率的A／D转换器，片内100 MHz的RC振荡器与PLL（锁相环）一起共同为FPGA提供时钟，以节省外部时钟的开销。这些特点极大地提高了该系列FPGA器件的功能，简化了系统设计，大幅度减少了威廉希尔官方网站 板面积和系统总成本。当Fusion系列FPGA器件结合8051，CortexMl，ARM7等软件MCU核时，还可以实现真正的 SoC系统。Actel Fusion系列器件的众多特点，使其在电机控制的领域得到了广泛的应用，由它延伸出来的Smartfusion 数模混合芯片，十分适合高复杂度电机控制的应用。

　　产品一览

　　Actel Fusion的特点

　　单芯片

　　以 Flash 为基础的 FPGA 将配置信息储存在片上 Flash 单元中，一旦完成编程后，配置数据就会成为 FPGA 结构的固有部分，在系统上电时并无需载入外部配置数据。以 Flash 为基础的 Fusion 融合 FPGA 无需额外的系统元件，如传统 SRAM FPGA 配置用的串行非挥发性内存 （EEPROM） 或以 Flash 为基础的微控制器，它们都是用来在每次上电时对传统 SRAM FPGA 加载程序的。增加的融合功能可在威廉希尔官方网站 板上省去多个附加元件，如 Flash 内存、分立模拟 IC 、时钟源、EEPROM ，以及实时时钟等，从而减低系统成本和威廉希尔官方网站 板空间需求。

　　低功率

　　Fusion 器件具有类似于 ASIC 的功率特性，因而适用于电池供电产品和其它对功耗敏感的应用。使用Fusion 器件时，并不会出现加电浪涌电流和大电流转换，而这是许多 SRAM FPGA 器件所面对的问题。Fusion 器件还具有低静态和动态功耗，能实现最多的功率节省。这些器件支持睡眠和待机模式运作，可大幅降低功耗。Fusion 器件的另一个独特性能是在非活动期间于正常时钟速度和低时钟运作速度之间进行动态转换，并在需要时转为全速运作。

　　上电即行

　　以 Flash 为基础的Fusion 器件具有上电即行 （LAPU） 特性，一旦施加正常运作规格内的系统功率，Fusion 器件即可工作。这种上电即行特性能够大幅简化整体系统设计，并往往可以省去系统中复杂的可编程逻辑器件 （CPLD） 。

　　安全性

　　Fusion 器件包含了 Microsemi FlashLock® 功能，提供可重编程性和设计安全性的独特组合，且无外部元件费用。这些优点只有通过带非挥发性 Flash 内存的 FPGA 才能实现。Fusion 器件具有基于 Flash 的 128 位安全保护机制和业界领先的片上 AES 解码内核，用于保护经编程的 IP 和配置数据。 128 位 AES 是政府机构认可速度更快、安全性更高的加密算法，可以替代 DES 。目前，Fusion 器件具有最完备的可编程逻辑安全解决方案。以 AES 加密技术为基础的Fusion 器件可让设计人员安全地完成系统设计和 Flash 内容的远程更新 （通过公共网络如互联网等），确保具价值的 IP 不会遭受系统过建、复制和 IP 盗窃等问题所侵害。虽然编写在Fusion 器件中的 FPGA 设计不能读回，但可对其进行安全的设计验证操作。Fusion 器件采用了许多器件设计和布局工艺技术，使到入侵攻击难以得逞。例如，Fusion 器件的 Flash 单元都位于 7 层金属层之下，因而极难实现反向工程。

　　固件错误

　　固件错误是高层大气中产生的高能中子撞击 SRAM FPGA 配置数据存储单元所导致的错误。撞击产生的能量会改变 SRAM FPGA 配置数据存储单元的状态，从而改变其逻辑、路由或 I/O ，而这种改变是无法预测和控制的。这类错误在 SRAM FPGA 中不可能避免，因而导致其时间延续故障 （FIT） 率值达数千。这类错误可能导致整个系统失效，引起重大的技术支持和产品可靠性问题。融合 FPGA 的配置元素 （即 Flash 存储单元） 便不会被高能中子改变，因此具有中子引发的固件错误免疫力。

　　融合技术及其优势

　　单芯片提供所有功能

　　直至融合技术问世前，系统设计人员被迫采用成本高、占位空间多的分立模拟组件和可编程逻辑或混合信号 ASIC 方案来执行一般的系统。固定的架构及其它技术障碍都阻止各个组件集成到一个低成本的单芯片中，以满足所有设计需求。

 

　　外部高电压接口

　　Fusion 器件具有真正的外部高电压接口；拥有多达 30 个耐高压模拟输入，可与 -12V 到 +12V 的信号直接连接，因此无需信号预调节威廉希尔官方网站 。基于融合技术的模数转换器 ADC 可以配置，并支持高达 12 位的信号采样率，采样速度达 600 ksps 。Fusion 器件还具备额外的功能，包括多个差分输入电流监控功能块，每个均内置放大器，能增加灵敏度和效率。Fusion 器件还集成了温度监控威廉希尔官方网站 ，只需外接二极管便可远程监控多项温度。Fusion 器件具有多达 10 个大电流驱动输出，最适用于 MOSFET 控制和/或脉冲宽度调制 （PWM） 功能，如直接风扇控制。

 

　　功率管理和热管理

　　Fusion 器件具有 0 级上电即用 （LAPU） 功能，只需 3.3V 单电源便可运行。由于启动要求不高，Fusion 器件可充当终极的系统管理器，能够监视和控制板上各个电源的上电顺序。各个电源的电压上升速率可通过Fusion 器件进行编程。结合其温度监控功能和 MOSFET/PWM 性能，Fusion 器件能轻易集成系统控制板的热管理能力。

 

　　动态系统配置

　　Fusion 器件可将多项系统级功能集成在一个单芯片中，因而成为许多前沿系统管理协议的理想载体。

　　低功耗

　　基于采用低功耗、高性能的Flash内存工艺，Fusion 器件提供业界领先的低静态和动态功耗。Fusion 器件还具有多项睡眠和待机工作模式，进一步延长便携式设备的电池寿命。Fusion 器件的实时计数器（RTC） 能实现各种功能，如睡眠、待机、定期唤醒、低速或低功耗运行。此外，它还配有 1% RC 振荡器和双引脚晶体振荡器威廉希尔官方网站 ，能够省去昂贵的外部时钟源。

　　重新配置系统

　　Fusion 器件架构继承了 Microsemi 成功的 ProASIC®3 系列 Flash PGA的可配置性和现场可编程性优势，能在制造过程中或制造完成后在现场安全地进行编程。由于Fusion 器件可以在单一硬件平台支持多种项目和产品，因此能让设计人员享有批量采购器件的优势，并同时针对不同市场进行产品的定制设计。而固件 （Flash 内存） 和硬件的更新都能在一个步骤中完成。

　　Actel Fusion FPGA的无刷电机（BLDC）控制

　　1 前言

 

　　无刷直流电机（BLDC）具有体积小，无机械触点，寿命长，安装方便的优点，一直都是电机应用的研究热点。目前无刷电机控制基本上都是采用霍尔传感器作为转子位置反馈元件，但位置传感器的存在不仅增加了电机的体积和成本，很大程度上还成为电机的故障源之一，使系统可靠性降低。所以无位置传感器的无刷电机控制方案业已成为当前的研究热点。

　　近年来，采用数字控制的无位置传感器控制技术，已逐渐成为今后无刷电机控制的发展趋势。在此采用Actel公司的Fusion系列混合信号 FPGA为控制器核心，设计了一款无位置传感器无刷电机控制器。采用Fusion内部特有的12位多路高速A／D转换器，实现电机反电动势检测，使用内嵌的51软核实现速度闭环控制算法，成功实现无刷电机无位置传感器控制方案，具有系统硬件方案简单，集成度高，可靠性好，调速精度高等优点。

　　2 系统方案设计

　　2．1 Fusion FPGA简介翻

　　Actel Fusion系列器件是业界首款也是唯一具有模拟功能的Flash架构的FPGA，融合了FPGA数字内核、A/D转换器、Flash存储器、模拟的I /0、RTC等数字和模拟器件。Fusion器件内部具有2～8 Mbit不等的用户可用Flash存储器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks／s采样率的A／D转换器，片内100 MHz的RC振荡器与PLL（锁相环）一起共同为FPGA提供时钟，以节省外部时钟的开销。这些特点极大地提高了该系列FPGA器件的功能，简化了系统设计，大幅度减少了威廉希尔官方网站 板面积和系统总成本。当Fusion系列FPGA器件结合8051，CortexMl，ARM7等软件MCU核时，还可以实现真正的 SoC系统。Actel Fusion系列FPGA器件是迄今为止最全面的单芯片模拟与数字可编程逻辑系统的解决方案。

　　2．2 控制器方案设计

　　根据无刷电机反电动势检测法原理，结合Actel FusionFPGA的内部功能特性，设计了图1所示的无刷电机控制方案。

　　在该设计方案中，Fusion AFS600作为控制器核心，用内嵌的软核8051 MCU实现控制算法，高速12位A/D转换器分别检测三相绕组的反电动势和外部电位器设定电压。电位器设定电压用于确定电机的转动方向和转速。通过 FPGA逻辑实现LCD液晶屏接口，用于显示设定转速和实际转速。此外一个重要的模块是三相PWM波形发生模块，通过可编程计数器实现。PLL模块用于向单片机、A／D转换器和PWM模块提供基准时钟信号。

　　

　　外围威廉希尔官方网站 主要包括：LCDl602字符型液晶显示器、设定转速的电位器和无刷电机驱动器。无刷电机驱动器采用A3935三相全桥器件配合6个大功率NMOS管IRF2807S实现完整的无刷电机控制方案。每项绕组的反电动势通过串联电阻分压并滤波再送入Fusion AFS600内部的A／D转换器。A3935是一款汽车级三相功率MOSFET驱动器，特别适用于无刷电机控制，具有过压、欠压、过流、过热、短路和开路监控功能，功能强，可靠性高等功能。

　　2．3 三相PWM产生

　　设计方案中采用Fusion的逻辑门威廉希尔官方网站 实现了PWM频率和占空比可连续调节的PWM发生模块。其中，设定的频率参数和占空比可根据 A/D转换器采集的电位器电压值转换为相应的参数值，只要调节外部电位器就能产生6路占空比可调的PWM信号波形。下面给出的相关代码是采用 VerilogHDL语言编写的一部分三相PWM的源码。图2示出用示波器测出的其中两路PWM信号波形。

　　

　　

　　2．4 反电动势检测

　　实现反电动势检测原理是：无刷直流电动机在运转过程中，同一时间只有两相绕组处于工作状态，即该两相所对应的功率器件处于PWM状态，而第三相处于悬空状态，其端电压等于感应电动势。反电动势的过零点就发生在该相绕组悬空期间。此时通过检测端电压就能间接检测该相反电动势的过零点。该控制器的反电动势检测采用Fusion系列FPGA器件内部的模拟模块，三相端电压经过电阻分压滤波后送入Fusion系列FPGA器件内的12位A／D转换器进行分时采样。Fusion系列FPGA器件内部采用分时循环采样电位器设定电压和三相绕组的反电动势电压，A／D转换器将转换结果分别存入相应的数据寄存器。A／D转换器循环采样部分的

　　

　　图3示出用示波器测量到的实际反电动势μ1和μ2的波形，由于反电动势信号经过一定的模拟滤波处理，信噪比较好，便于FPGA进行过零点检测。

　　

　　2．5 控制软件设计

　　上述有关PWM产生模块和A／D转换器循环采样模块都是用Verilog HDL语言编写的，在Actel Libero IDE集成开发环境下编译通过并作为模块调用，而调速控制算法的实现则使用了Fusion系列FPGA器件内部的8051软核实现，开发工具是Keil C。图4示出51软核的算法流程。

　　

　　3 结论

　　无刷电机控制器硬件平台基础上分别编制开发了FPGA内部各功能单元，并进行了编译链接和引脚分配。经过实验实现了对无刷电机的平稳启动和转速调节。所用无刷电机24 V供电，额定转速l 600 r／min。由该FPGA控制器控制的调速范围为760~1 600 r／min内连续可调。该控制器的实现充分体现了Actel Fusion系列混合信号FPGA在模数混合系统应用中的高度集成性，真正单片SoC的优点，为Fusion系列FPGA器件的应用提供了参考价值。

　　SmartFusion

　　是全新的ARM和FPGA的混合体，在Actel独特的模数混合的Fusion系列的基础上融入了高效的ARM内核——Cortex-M3，该内核属于硬核，不占用FPGA的逻辑资源，不仅具有FPGA的高速并行的特点，而且可以发挥ARM灵活控制的长处，取长补短。

　　功能框图

　　芯片内部结构图

 

　　SmartFusion相关设计资料下载：

　　Actel Smartfusion数模混合芯片中文资料

　　Actel Smartfusion多轴伺服电机控制解决方案

　　Actel Fusion相关资料下载：

　　Fusion用于外围器件管理的系统

　　基于 Actel FPGA 的 CoreFFT 应用

　　基于 Actel FPGA 的 TFT 显示控制方案一

　　基于 Actel FPGA 的多串口扩展方案

　　基于Actel FPGA的正交解码方案
 

　　欲了解更多关于电机控制的解决方案，可点击电机控制方案的MCU篇进行查阅：

　　三大电机控制方案之MCU篇