MCU是目前市場(chǎng)主流的電機(jī)控制方案，適用于高、中、低端電機(jī)控制。通過內(nèi)部集成的電機(jī)控制模塊，可簡(jiǎn)化客戶對(duì)于電機(jī)控制的開發(fā)；而相對(duì)于DSP較強(qiáng)的控制功能，能更好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的伺服控制和保護(hù)功能。此外在32位處理器，通過提高運(yùn)算處理速度，也可以很好地實(shí)現(xiàn)空間矢量、磁場(chǎng)定位和PD閉環(huán)調(diào)節(jié)的復(fù)雜控制。

對(duì)于小型BLDC冷卻風(fēng)扇等簡(jiǎn)單的低功耗電機(jī)控制應(yīng)用來說，專用標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)控制IC可以實(shí)現(xiàn)低成本。但對(duì)要求苛刻的應(yīng)用來說，就更適合使用DSP、MCU和FPGA，因?yàn)榭梢栽黾悠渌到y(tǒng)管理功能，例如監(jiān)測(cè)電機(jī)參數(shù)和狀態(tài)，以及與主機(jī)系統(tǒng)的通信等。“不過，DSP、MCU和FPGA需要外部柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器和功率器件。”Diodes全球策略市場(chǎng)經(jīng)理Khagendra Thapa表示。

“目前，8位MCU主要用于低成本，低性能場(chǎng)合，16位、32位DSP/MCU則用于中/高性能場(chǎng)合。其中DSC的性價(jià)比是比較高的?！憋w思卡爾微控制器事業(yè)部高級(jí)系統(tǒng)工程師Charlie Wu指出，“FPGA主要用于與DSC/MCU配合產(chǎn)生特殊的PWM信號(hào)，它主要用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合?！?

“關(guān)于電機(jī)控制方案，DSP、MCU和FPGA各有其優(yōu)特點(diǎn)。DSP因?yàn)閿?shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快，適用于高端復(fù)雜的電機(jī)系統(tǒng)控制，如實(shí)現(xiàn)交流感應(yīng)電機(jī)的空間矢量控制算法、無傳感器的空間定位等，但它依賴于軟件算法的成熟度和穩(wěn)定性，對(duì)開發(fā)者的要求比較高。此外因?yàn)閮?nèi)核電壓及接口電平主要是3.3V或者1.8V，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要相關(guān)電平的驅(qū)動(dòng)電路支持?！?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/富士通/" target="_blank">富士通微電子（上海）有限公司產(chǎn)品經(jīng)理彭濤分析指出，“FPGA通過集成邏輯電路及專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，能夠很好地適用于客戶化的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但在電機(jī)控制的通用性方面略有不足。”

“單片機(jī)帶DSP的功能一般運(yùn)用于比較高端的，速度要求比較快的應(yīng)用。英飛凌的16位單片機(jī)和32位單片機(jī)都是帶 DSP功能的單片機(jī)，其中32位支持浮點(diǎn)運(yùn)算?！庇w凌科技（中國）有限公司工業(yè)及多元化電子市場(chǎng)事業(yè)部銷售及業(yè)務(wù)開發(fā)高級(jí)總監(jiān)石敬巖先生指出，“FPGA有自己的特點(diǎn)，它很靈活，但入門門檻高，單價(jià)高。一般用于量不大的領(lǐng)域。”

FPGA廠商的觀點(diǎn)如何呢？本文請(qǐng)到了兩家FPGA廠商談?wù)勂洚a(chǎn)品在電機(jī)控制方面的應(yīng)用現(xiàn)狀。

張宇清

賽靈思亞太區(qū)市場(chǎng)及應(yīng)用總監(jiān)

現(xiàn)在的電機(jī)控制需要高性能和高效率，對(duì)控制精度和響應(yīng)時(shí)間提出了更高的要求?；诋惒诫妱?dòng)機(jī)矢量控制的技術(shù)自70年代發(fā)明以來得到了極為廣泛的應(yīng)用。這種控制方法現(xiàn)已較成熟，已經(jīng)產(chǎn)品化且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。但是因?yàn)檫@種方法采用了較復(fù)雜的坐標(biāo)變換，所以對(duì)控制器的運(yùn)算速度、處理能力等性能要求較高。另外在對(duì)于一些考慮成本和周圍環(huán)境的地方，無速度傳感器技術(shù)也得到廣泛重視。這無疑也對(duì)芯片的處理能力提出更高要求。隨著現(xiàn)代控制理論、MCU/DSP/FPGA等半導(dǎo)體器件以及電力電子開關(guān)器件的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高性能無速度傳感器的矢量調(diào)速系統(tǒng)是未來電機(jī)控制市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

MCU通常側(cè)重于I/O接口的數(shù)量和可編程存儲(chǔ)器的大小，非常適用于有大量的I/O操作的場(chǎng)合，所以廣泛應(yīng)用在低成本,低功耗和對(duì)精度要求不高的系統(tǒng)中。但由于本身處理能力有限，應(yīng)用的場(chǎng)合受到了比較大的限制。DSP芯片內(nèi)部集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入/輸出、串口通信、電機(jī)控制PWM信號(hào)輸出等接口，因此使得電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)靈活、簡(jiǎn)易，而且DSP比較擅長(zhǎng)高速運(yùn)算，所以一般用于相對(duì)高檔的控制系統(tǒng)中，如伺服電機(jī)控制。FPGA則在高端電機(jī)應(yīng)用中顯示出卓越的性能，它實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)、多軸同時(shí)處理、靈活多樣的外設(shè)接口、多種工業(yè)總線的支持。

對(duì)于電機(jī)控制提出的不同要求，F(xiàn)PGA芯片固有的可編程性和并行處理的特點(diǎn)十分適合于中高端的電機(jī)控制應(yīng)用。由于它以純硬件的方式進(jìn)行并行處理，而且不占用CPU的資源，所以可以使系統(tǒng)達(dá)到很高的性能。當(dāng)前電機(jī)控制的發(fā)展越來越趨于多樣化、復(fù)雜化，現(xiàn)場(chǎng)也提出越來越苛刻的性能要求。因此客戶有可能考慮自己開發(fā)專用的控制芯片，F(xiàn)PGA的可編程性正是可以滿足這種需求。

目前大部分產(chǎn)品都把電流環(huán)控制作為DSP的一個(gè)協(xié)處理來考慮，而速度或位置環(huán)控制則由DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。一般情況下，由于位置控制比較靈活，且差異性比較大，很難做到通用性，所以位置環(huán)一般由DSP來直接完成；但速度和電流環(huán)相對(duì)具有通用性，且互相關(guān)聯(lián)緊密，以致高性能的速度控制都離不開電流控制，因此完全可以把它們集成到一個(gè)芯片中處理，這樣既可以實(shí)現(xiàn)速度伺服控制，又可以單獨(dú)進(jìn)行電流控制，還可以和DSP共同構(gòu)成位置伺服系統(tǒng)。賽靈思FPGA內(nèi)部還提供了32位MCU Microblaze，則可以進(jìn)一步把位置、速度、電流三種控制全部由一片F(xiàn)PGA來實(shí)現(xiàn)，客戶可以完全定制出一款滿足特殊需要的SOC芯片。而且一旦試制成功如要大批量生產(chǎn)，還可以按照FPGA的設(shè)計(jì)直接定做ASIC芯片來降低成本。另外，F(xiàn)PGA在很多場(chǎng)合也充當(dāng)MCU/DSP的協(xié)處理功能，在組合邏輯、總線和接口擴(kuò)展方面也充當(dāng)著十分重要的角色。

另外隨著工藝技術(shù)水平的提高，F(xiàn)PGA芯片在功耗和成本方面也越來越顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。賽靈思公司最近推出的Spartan-6系列是基于45納米技術(shù)，十分適合工業(yè)控制的應(yīng)用，它內(nèi)部集成了DSP硬核、存儲(chǔ)控制器硬核、PCIe硬核等先進(jìn)技術(shù)，客戶可以實(shí)現(xiàn)矢量控制算法，高速互聯(lián)來滿足復(fù)雜的伺服系統(tǒng)要求。

FPGA作為MCU/DSP協(xié)處理器功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用在大部分電機(jī)控制產(chǎn)品中，提供了諸如邏輯、接口擴(kuò)展和總線功能。同時(shí)賽靈思的第三方，如賽靈思授權(quán)代理商安富利公司也提供了大量的外設(shè)接口和工業(yè)總線IP核，豐富了電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

賽靈思會(huì)在近期推出基于交流電機(jī)矢量控制的參考設(shè)計(jì)，并提供演示板和FPGA源代碼。客戶可以在此平臺(tái)基礎(chǔ)上開發(fā)適合自己應(yīng)用的產(chǎn)品。我們還計(jì)劃提供運(yùn)動(dòng)控制引擎和直接轉(zhuǎn)距控制的算法實(shí)現(xiàn)，給客戶提供更多的選擇以滿足現(xiàn)場(chǎng)更高性能的需要。

我們的FPGA芯片已經(jīng)在高端數(shù)控機(jī)床、高端伺服系統(tǒng)、高端變頻器、激光打標(biāo)機(jī)、機(jī)器人產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。國外的大企業(yè)如Siemens、GE、ABB等大多采用FPGA做為核心處理平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)一片SOC的解決方案。目前國內(nèi)企業(yè)在高端伺服產(chǎn)品的研發(fā)水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外、但我們相信在中國政府鼓勵(lì)國內(nèi)企業(yè)研發(fā)自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)政策下，F(xiàn)PGA必將充當(dāng)越來越重要的角色。

Mike Brogley

Actel公司IP與解決方案產(chǎn)品市場(chǎng)推廣經(jīng)理

現(xiàn)在，市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)廣泛的采用電機(jī)控制的新興市場(chǎng)應(yīng)用，因此也對(duì)電機(jī)控制器/驅(qū)動(dòng)器提出不同的要求。用于AC和DC電機(jī)控制的新設(shè)計(jì)必須具備以下特點(diǎn)：高效率、盡可能低的功耗；工作時(shí)間較長(zhǎng)而性能不受影響。

傳統(tǒng)上，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直考慮采用MCU+ASSP解決方案。然而設(shè)計(jì)人員通過使用結(jié)合MCU、模擬外設(shè)、嵌入式閃存、可編程邏輯，以及真正的單芯片運(yùn)作的解決方案(如SmartFusion)，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)先前僅有定制解決方案能夠達(dá)到的高集成度水平。

SmartFusion智能混合信號(hào)FPGA對(duì)系統(tǒng)運(yùn)作有著重要的影響。由于ARM Cortex-M3處理器是與FPGA架構(gòu)分離的標(biāo)準(zhǔn)單元模塊，這樣，二者可以獨(dú)立地運(yùn)作。因此，F(xiàn)PGA架構(gòu)在進(jìn)行重新編程時(shí)，無需中斷處理器的運(yùn)作。這也允許在處理器處理關(guān)鍵性的系統(tǒng)功能的同時(shí)，根據(jù)需要更新用戶邏輯的功能。同樣地，在處理器固件更新期間，用戶邏輯也可以繼續(xù)運(yùn)作。

該智能混合信號(hào)FPGA提供了以下性能優(yōu)勢(shì)：可定制的穩(wěn)健的PWM，實(shí)現(xiàn)更精密的控制算法；相比軟件解決方案，具有速度更快、確定性更高的控制系統(tǒng)，從而減少電流紋波和噪聲；即時(shí)響應(yīng)用戶I/O(如緊急制動(dòng)報(bào)警)；控制算法的硬件加速；高速閃存能夠更快地訪問查找表等。

Actel的DSP設(shè)計(jì)流程可讓設(shè)計(jì)人員使用Matlab和Simulink，配合完備的DSP blockset和Actel IP集，以較高的抽象水平來評(píng)測(cè)算法。DSP設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用我們業(yè)界領(lǐng)先的工具集，運(yùn)行一個(gè)無縫、直觀的設(shè)計(jì)流程，來解釋、優(yōu)化和驗(yàn)證RTL級(jí)、邏輯門級(jí)和物理級(jí)設(shè)計(jì)。

在傳統(tǒng)的電機(jī)應(yīng)用中使用更小、更具成本效益的電機(jī)，漸漸成為工業(yè)領(lǐng)域使用電子電機(jī)控制技術(shù)的一個(gè)重要因素。SmartFusion FPGA可為需要真正的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)解決方案的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供比傳統(tǒng)固定功能微控制器方案更大的靈活性，且成本比嵌入軟核處理器傳統(tǒng)FPGA方案低得多。

SmartFusion FPGA提供了一個(gè)低功耗、單芯片方案，優(yōu)化AC感應(yīng)電機(jī)中的轉(zhuǎn)差頻率控制。它集成了CPU、NVM、ADC，以及模擬接口，增強(qiáng)了控制回路，并提高了效率、可靠性和節(jié)能性能，使得電機(jī)具備更高的效率和更低的功耗。此外，大容量嵌入式非易失性存儲(chǔ)器能夠提供所需的安全性以保護(hù)定制的控制算法。Actel正在積極開發(fā)基于SmartFusion的永磁同步電機(jī)的多軸電機(jī)控制解決方案，特點(diǎn)是使用SmartFusion的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)進(jìn)行精密的控制算法。

Actel同時(shí)通過IGLOO超低功耗FPGA系列，滿足低功耗和手持式應(yīng)用的要求，是用于微型電機(jī)控制的理想解決方案。在無刷DC或步進(jìn)電機(jī)中，IGLOO系列可以用于有傳感器或無傳感器的應(yīng)用。

SmartFusion和IGLOO系列廣受歡迎，因其具備以下特性和優(yōu)勢(shì)：

* 以單芯片方案實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)的高性能精密有源控制，減低材料清單成本和組裝成本，以及減小占位面積并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

* 管理功率、方向、速度、轉(zhuǎn)矩，并提供保護(hù)以防止過載或故障

* 采用FPGA來實(shí)現(xiàn)超快速的閉環(huán)算法，而Cortex-M3則管理其余部分

* 電機(jī)控制開發(fā)工具套件帶有五個(gè)參考設(shè)計(jì)，用于演示和實(shí)驗(yàn)室開發(fā)

* 開發(fā)周期很短，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速上市