今天的電動機驅(qū)動市場為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了比以往更多的選擇。在交流方面，電機驅(qū)動器提供了高度靈活的解決方案，具有越來越多的功能，如變速控制。這些器件具有啟動時的低功率需求、受控加速、可調(diào)節(jié)運行速度、受控啟動電流、可調(diào)節(jié)扭矩限制和減少電源線干擾。

交流電機有兩種一般類型。第一種是交流電機，它使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)與供電電流的頻率同步。這使得速度在變化的負載下保持恒定，使這些電機成為驅(qū)動設(shè)備的理想選擇。設(shè)計人員通常在需要高精度定位的應(yīng)用中使用同步交流電機，例如機器人、儀器儀表、機器和過程控制。

今天使用的更常見的交流電機是感應(yīng)或異步類型。這些電機利用來自定子繞組磁場的電磁感應(yīng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電流，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這種負載能力可用于廣泛的應(yīng)用。

這些設(shè)備有單相和三相兩種版本。單相交流感應(yīng)電動機廣泛用于家用電器等較小的負載。三相感應(yīng)電機用于更高容量的工業(yè)應(yīng)用，例如壓縮機、泵、輸送系統(tǒng)和起重裝置。

工業(yè)用直流電機

在工業(yè)領(lǐng)域，設(shè)計人員通常使用有刷直流、無刷直流 (BLDC)、步進或伺服電機。每種類型的電機都有其自身的權(quán)衡。

有刷直流電機提供了一種簡單、低成本的選擇。它們支持的速度與施加的電壓成線性關(guān)系，因此它們可以與簡單的電機控制解決方案一起使用。另一方面，有刷直流電機通常需要相對較高的維護水平，并且由于必須承受物理磨損，使用壽命相對較短。

BLDC 電機也是一種高效的選擇。通過用電子換向取代有刷直流電機中的傳統(tǒng)機械裝置，在與傳統(tǒng)直流電機相同的速度和負載下運行時，它們的效率提高了 20% 到 30%。這使設(shè)計人員可以針對給定的功率輸出使用更小、更輕、更安靜的 BLDC 電機。不幸的是，在許多應(yīng)用中，這些電機需要更復(fù)雜且通常更昂貴的電機控制解決方案。

伺服電機采用閉環(huán)機制，使用位置反饋來控制電機的運動和位置。電機通常與某種類型的編碼器配對，以提供位置和速度反饋。恒定反饋消除了失速的可能性，并允許電機糾正任何定位差異。

步進電機是無刷直流電機，以離散和相等的步長移動。無需任何位置傳感器進行反饋，即可引導(dǎo)電機在任何步驟移動或保持其位置。步進電機比伺服電機使用更多的磁極。對于尋求具有高精度控制和強大低速扭矩的電機的設(shè)計人員來說，步進電機提供了最佳選擇。步進電機還具有較長的生命周期。

但高精度是有代價的。步進電機是效率相對較低的電機，容易產(chǎn)生共振、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動。使用這種電機類型的設(shè)計人員還必須記住，他們不能快速加速負載。在許多情況下，步進電機和伺服電機驅(qū)動器在電機控制應(yīng)用中與 FPGA 一起使用時可為設(shè)計人員提供顯著優(yōu)勢。

FPGA 輔助電機控制

步進和伺服控制驅(qū)動器根據(jù)特定需求量身定制。伺服控制驅(qū)動器非常適合涉及動態(tài)負載變化的高速、高扭矩應(yīng)用。另一方面，步進控制系統(tǒng)的成本要低得多，并且最適合需要中低加速度、高保持扭矩以及在開環(huán)或閉環(huán)中運行的靈活性的應(yīng)用。表 1 比較了步進和伺服控制驅(qū)動器的可用特性。

表 1：步進電機和伺服電機的特性比較。

通常，基于 FPGA 的電機控制驅(qū)動器用于替代 MCU 和 DSP 替代品。表 2 比較了基于 MCU/DSP 模塊與 FPGA 的電機控制驅(qū)動設(shè)計，并強調(diào)了 FPGA 提供的優(yōu)勢，包括使用定制脈寬調(diào)制 (PWM) 的能力、更容易的組件集成、更少的組件、更高的控制環(huán)路帶寬、和更高的可靠性。

通過使用帶有定制 IP 的 FPGA，系統(tǒng)設(shè)計人員可以根據(jù)他們的需求高效地創(chuàng)建電機控制解決方案并確保確定性行為。他們還可以開發(fā)解決方案，降低電機和電源轉(zhuǎn)換器的損耗，同時優(yōu)化直流母線的電壓利用率。此外，采用這種方法的設(shè)計人員可以定制以前固定的通用硬件，同時在高調(diào)制指數(shù)下將總諧波失真 (THD) 降低近 50%。

表 2：基于 MCU/DSP 和 FPGA 的電機控制解決方案的比較。

設(shè)計人員如何知道應(yīng)用程序是否可以從基于 FPGA 的控制解決方案中受益?回答幾個基本問題是第一步。設(shè)計師使用什么設(shè)計標(biāo)準?應(yīng)用程序必須移動的負載是多少?電機需要以什么速度運行?負載在整個移動過程中是否變化?應(yīng)用程序是否需要任何特殊功能，例如扭矩限制?最后，設(shè)計和功率預(yù)算有多大?

框圖(圖 1)說明了 DVE 的工程師如何為舞臺照明應(yīng)用開發(fā)電機控制解決方案，該應(yīng)用必須在單個模塊中同時同步多達八個舞臺燈光。設(shè)計團隊知道他們需要一種能夠同時驅(qū)動多達 8 個兩相或三相步進電機的低成本電機控制解決方案。

該設(shè)計要求 32 位處理器或 DSP 以 100 MHz 運行，并帶有附加邏輯。其次，由于所需的同步和確定性系統(tǒng)要求，它要求進行仔細的軟件設(shè)計。該設(shè)計還需要支持每個電機的編碼器接口，以實現(xiàn)精確的位置確定。

設(shè)計案例研究

為了滿足這些需求，設(shè)計人員使用了萊迪思半導(dǎo)體的 MachXO2-7000 FPGA。具有高達 256 Kb 的集成閃存和 240 Kb 的嵌入式 RAM，這確保了 FPGA 可以在不到一毫秒的時間內(nèi)自行啟動。全部在一個芯片中，該設(shè)計包括一個運行頻率為 50 MHz 的 32 位微控制器，具有 20 KB 的代碼和 4 KB 的數(shù)據(jù)空間、一個實時以太網(wǎng)接口、一個電機控制算法和反饋編碼器。

此外，集成啟動閃存消除了對外部啟動閃存的需求，并確保了快速啟動過程。由于 FPGA 的并行架構(gòu)，可以簡單地復(fù)制功能塊而不犧牲確定性行為。

圖 1：DVE 采用單芯片 FPGA 設(shè)計的電機控制解決方案。

DVE 的電機控制解決方案支持用于控制脈寬調(diào)制和反電動勢檢測技術(shù)的空間矢量調(diào)制算法。它還具有 REDBUS 實時以太網(wǎng)接口，允許 100 Mbps 的數(shù)據(jù)交換和多個板的互連，而無需以太網(wǎng)交換機設(shè)備。

展望未來，伺服電機控制應(yīng)用通常需要一個反饋回路，其中傳感器可以確定電機的位置、運行速度以及施加的扭矩。對于這些應(yīng)用，設(shè)計人員將需要具有集成 DSP 模塊的 FPGA 來執(zhí)行反饋環(huán)路功能。具有嵌入式 DSP 模塊的新一代低密度 FPGA 可以提供比傳統(tǒng)選項更高效的解決方案。
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