隨著市場需求的日益嚴(yán)苛，運(yùn)動控制系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜。對更高能效、更多功能、更小尺寸和更高集成度的要求不斷增長，促使設(shè)計(jì)人員找尋更具創(chuàng)新性的解決方案。至今為止，市面上的解決方案都涉及在數(shù)字信號處理器或微控制器中執(zhí)行的控制算法。
不過，對于復(fù)雜電機(jī)控制算法(如磁場定向控制)，要獲得所需的響應(yīng)時(shí)間，常常需要硬件加速。此外，還需要模擬電路來讀取傳感器數(shù)據(jù)，確定位置和速度，檢測故障，監(jiān)控溫度等等；而且需要數(shù)字線路來連接系統(tǒng)的其余部分。而利用分立器件實(shí)現(xiàn)的解決方案在可靠性、集成度和成本方面又不盡如人意。一直以來，設(shè)計(jì)人員都在尋找一種能夠滿足所有這些要求的單芯片解決方案，而現(xiàn)在，SmartFusion混合信號FPGA的推出終使設(shè)計(jì)人員的這一需求得到滿足。
在對更高能效、更小尺寸和額外屬性(如平滑度和精度)等需求的推動之下，越來越多的應(yīng)用開始采用同步電機(jī)，如無刷直流電機(jī)(BLDC)和永磁同步電機(jī)(PMSM)。為充分利用同步電機(jī)在效率、靜音工作和精度方面的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)人員需要找到能夠超越簡單8位/16位微控制器所提供的、更具創(chuàng)新性的控制解決方案。這些解決方案采用的微控制器可能需要利用FPGA、高性能數(shù)字信號處理器(DSP)或數(shù)字信號控制器(DSC)等專用處理器來實(shí)現(xiàn)硬件加速。
為了準(zhǔn)確地控制電機(jī)，控制器必須從傳感器采集電機(jī)數(shù)據(jù)，基于反饋計(jì)算下一個(gè)命令，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制電源。此外，任何運(yùn)動控制系統(tǒng)都必須處理一些額外負(fù)載，例如與其它系統(tǒng)的通信。
促使控制功能日益復(fù)雜的市場壓力同樣也在推動對單芯片運(yùn)動控制解決方案的需求。美高森美(Microsemi)公司推出的SmartFusion正是能夠滿足這一需求的單芯片器件，它集成了一個(gè)ARM Cortex-M3微控制器內(nèi)核、高性能FPGA結(jié)構(gòu)和可配置模擬資源，可實(shí)現(xiàn)業(yè)界首款單芯片運(yùn)動控制解決方案。
運(yùn)動控制的發(fā)展方向
在客戶需求和規(guī)范要求的雙重推動之下，提高運(yùn)動控制的性能成為工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)電子領(lǐng)域眾多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的首要目標(biāo)。這些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)逐漸認(rèn)識到，更先進(jìn)完善的電機(jī)控制方案有助于大幅提高電機(jī)在轉(zhuǎn)矩、速度、馬力和效率等方面的性能。
對于眾多要求不高的應(yīng)用，簡單的控制體系仍然足以敷用，但對開發(fā)更復(fù)雜先進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說，卻面臨著必須采用先進(jìn)的算法來控制PMSM和交流電機(jī)的挑戰(zhàn)。這些具挑戰(zhàn)性的電機(jī)控制算法常常本身就十分復(fù)雜，并需要硬件執(zhí)行，以減少計(jì)算時(shí)間，縮短響應(yīng)時(shí)間。此外，必須同時(shí)結(jié)合模擬和數(shù)字領(lǐng)域的反饋，才能準(zhǔn)確評估出當(dāng)前電機(jī)狀態(tài)。
這樣的設(shè)計(jì)通常是多軸的，需要同時(shí)控制好幾個(gè)電機(jī)，以驅(qū)動三維空間定義的機(jī)械系統(tǒng)(如機(jī)械手)。事實(shí)已證明，要實(shí)現(xiàn)這種程度的實(shí)時(shí)控制，其實(shí)已超出了任何單個(gè)現(xiàn)有器件的能力范圍。
例如，PMSM(有時(shí)被稱為無刷交流電機(jī))就帶來了一個(gè)復(fù)雜的控制問題。一般而言，使用PMSM的設(shè)計(jì)人員瞄準(zhǔn)的目標(biāo)都是超高水平的轉(zhuǎn)矩控制、平滑運(yùn)動、精度、效率等。不過，以實(shí)現(xiàn)這些特性的方式來控制PMSM是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。PMSM不同于其同類產(chǎn)品(如梯形換向無刷直流電機(jī))，它的控制器必須執(zhí)行復(fù)雜的正弦換向算法才能實(shí)現(xiàn)這些出色的特性。而SmartFusion的面世使得這種解決方案成為可能。
SmartFusion器件
美高森美公司的SmartFusion器件整合了下一代運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所要求的三大要素：高性能微控制器、高密度FPGA架構(gòu)以及可編程模擬資源，所有這些都集成在單個(gè)封裝中，從而使得設(shè)計(jì)人員能夠同時(shí)獲得高集成度和低成本的優(yōu)勢。
1.處理器內(nèi)核
SmartFusion器件(圖1)的核心是一個(gè)嵌入式ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核。M3是全球最流行的32位處理器之一，它的嵌入標(biāo)志著32位處理器與FPGA架構(gòu)的第一次結(jié)合。除了支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)運(yùn)行的存儲保護(hù)單元(MPU)之外，該內(nèi)核還包含有一個(gè)嵌套向量中斷控制器(NVIC)，它能夠處理151個(gè)帶有32個(gè)優(yōu)先級的離散的中斷。這個(gè)32位RISC處理器具有單周期乘法器和硬件除法器，能夠提供大約125DMIPS的性能。
圖1：SmartFusion的模塊示意圖。
Cortex-M3內(nèi)核周圍是許多集成式外設(shè)：SPI、I2C、UART串行端口、高達(dá)512KB的嵌入式閃存ROM、10/100以太網(wǎng)MAC、定時(shí)器、鎖相環(huán)、振蕩器、實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器，以及外設(shè)DMA控制器。
該處理器與其外設(shè)經(jīng)由一個(gè)被稱作ABM的多層先進(jìn)高性能總線(AHB)矩陣互連，ABM還能為處理器及其外設(shè)提供與FPGA架構(gòu)和嵌入式模擬功能通信的路徑。
2. 可編程模擬技術(shù)
每個(gè)SmartFusion器件都包含多達(dá)3個(gè)12位逐次逼近寄存器(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，12位模式下可工作在500Ksps(10位模式下為550ksps，8位模式下為600ksps)。為處理另一方向的信號，其中每個(gè)ADC都配備一個(gè)一階sigma-delta數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，可在500Ksps下提供12位有效分辨率。
為進(jìn)一步增強(qiáng)ADC的功能，每個(gè)器件還集成了多達(dá)5個(gè)高性能模擬信號調(diào)節(jié)模塊(SCB)。每一個(gè)SCB包含2個(gè)雙極型高壓監(jiān)控器(精度1%)、1個(gè)高增益電流監(jiān)控器、1個(gè)溫度監(jiān)控器(分辨率為0.25°C)，以及2個(gè)高速比較器。
SmartFusion包含一個(gè)創(chuàng)新的模擬計(jì)算引擎(ACE)，可以分擔(dān)嵌入式Cortex-M3處理器的底層初始化和模擬前端(AFE)控制等任務(wù)。ACE相當(dāng)于第二個(gè)處理器，能夠逐個(gè)樣本或在一定預(yù)設(shè)時(shí)間后自動調(diào)節(jié)ADC的分辨率。該引擎還能夠隨時(shí)間自動提高或降低ADC的分辨率，或者延遲從一個(gè)ADC通道到另一個(gè)通道的采樣。
3. 靈活的FPGA架構(gòu)
SmartFusion的架構(gòu)能夠同時(shí)訪問微控制器子系統(tǒng)和模擬計(jì)算引擎。SmartFusion架構(gòu)基于已獲驗(yàn)證的ProASIC 3閃存系列FPGA架構(gòu)，可為用戶提供多達(dá)50萬個(gè)系統(tǒng)邏輯門和108kb嵌入式RAM。
這種高度靈活的架構(gòu)可通過AHB總線矩陣與微控制器子系統(tǒng)通信。由于該架構(gòu)可作為總線的從結(jié)點(diǎn)或主結(jié)點(diǎn)，故其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的功能可以從屬于處理器。
用戶可以利用這些豐富的資源來構(gòu)建額外的外設(shè)與定制功能。用戶還能夠訪問美高森美公司的DirectCore庫(包含50多個(gè)不同IP模塊)以及由獨(dú)立第三方供應(yīng)商開發(fā)的其它IP模塊。
4. 基于已獲驗(yàn)證的閃存技術(shù)
SmartFusion架構(gòu)采用美高森美公司的CMOS閃存工藝建立。因此，SmartFusion器件具有閃存技術(shù)為可編程器件提供的所有優(yōu)勢，如低功耗和固件錯(cuò)誤免疫力。對嵌入式設(shè)計(jì)人員而言，重點(diǎn)在于SmartFusion器件是非易失性的，從而可提供一種真正的上電即行單芯片解決方案，而這一點(diǎn)對任何真正的系統(tǒng)級芯片(SoC)解決方案來說都是必需的。
一個(gè)復(fù)雜示例：永磁同步電機(jī)
最常見的PMSM控制技術(shù)是向量或磁場定向控制(FOC)技術(shù)。在磁場定向控制中，在任何指定時(shí)間定子電流都被控制在與轉(zhuǎn)子磁場成90度，以獲得最大轉(zhuǎn)矩。因此，F(xiàn)OC需要計(jì)算大量的向量變換(例如Clarke和Park變換)，以精確判斷當(dāng)前的電機(jī)狀態(tài)。除FOC之外，還需執(zhí)行空間向量脈寬調(diào)制(space vector pulse-width modulation, SVPWM)，相比傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制(PWM)方法，它可以減少諧波，提高效率。
這種算法的早期實(shí)現(xiàn)方案是采用專用集成電路(ASIC)來實(shí)現(xiàn)的，后來則使用數(shù)字信號處理器(DSP)。ASIC方案雖然集成度很高，但成本高昂，目前不再使用。DSP可以實(shí)現(xiàn)低成本高速控制，但整個(gè)解決方案需要大量支持器件才能完成。最近有一類新的控制器面市，即數(shù)字信號控制器(DSC)。DSC基本上就是具備了DSP功能(如乘法累加功能)的微控制器。盡管DSC可以為設(shè)計(jì)人員提供更高的集成度，但它們的功能仍然十分有限。一些更復(fù)雜的系統(tǒng)要求每個(gè)電機(jī)配備一個(gè)DSC，另外還需要額外的功能。
圖2說明了如何利用SmartFusion資源來實(shí)現(xiàn)一個(gè)FOC算法。Park、Clarke和逆向Clarke變換可用軟件在嵌入式Cortex-M上執(zhí)行。或者，這三項(xiàng)任務(wù)也可以從處理器中卸載下來并采用硬件執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)對這些功能的進(jìn)一步加速。比例積分(PI)調(diào)節(jié)器、空間向量PWM和角度計(jì)算等專用功能可通過SmartFusion FPGA架構(gòu)中的硬件實(shí)現(xiàn)而得到大幅加速。一些額外的功能(如電流和電壓感測)也可以在SmartFusion的可配置模擬模塊中執(zhí)行。
圖2：在SmartFusion中實(shí)現(xiàn)的FOC。
運(yùn)動控制系統(tǒng)不僅限于電機(jī)控制。這種控制必須與系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行通信，此外還需處理額外的需求，如控制致動器和螺線管，甚至控制額外的電機(jī)。由于SmartFusion器件提供了豐富的FPGA邏輯資源，以及微控制器和可配置模擬模塊，因此它們具有實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的資源。
本文小結(jié)
采用SmartFusion器件，運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在就有機(jī)會開發(fā)出控制更復(fù)雜電機(jī)的單芯片解決方案。利用一個(gè)帶有單周期乘法、32個(gè)優(yōu)先級的中斷以及大量外設(shè)的嵌入式32位ARM Cortex-M3處理器，SmartFusion混合信號FPGA可提供眾多DSC功能；除此之外，它的另一項(xiàng)額外優(yōu)勢是能夠?qū)PGA架構(gòu)中執(zhí)行的一些功能進(jìn)行硬件加速，從而為其它用戶功能留出大量余裕。另外，SmartFusion器件配備了充足的外設(shè)，用于低速通信(SPI、I2C和UART)和高速通信(10/100以太網(wǎng)MAC)，以及系統(tǒng)其余部分的連接。將這些功能與可配置模擬功能結(jié)合起來，就催生出了業(yè)界首款單芯片運(yùn)動控制器SmartFusion。 |
