運動控制設(shè)計與混合信號FPGA解決方案

??? 隨著電子元件的性能和集成度不斷提高而價格卻不斷降低，電子控制單元的發(fā)展正一日千里。隨著各種技術(shù)和應(yīng)用大量涌現(xiàn)，從家電領(lǐng)域到工業(yè)自動化生產(chǎn)線，大家關(guān)注的重點還是在增加設(shè)計和提高電源效率的同時能減少設(shè)計、開發(fā)和整體的系統(tǒng)成本。

與此同時，運動控制應(yīng)用的復(fù)雜程度也越來越高，已從簡單的開/關(guān)型控制向在高度集成環(huán)境中具備精確控制的可變速應(yīng)用發(fā)展。無論是交流、直流、有刷和無刷電機的各種控制電路主要由三部分構(gòu)成：人機界面、微控制器(MCU) 和控制邏輯。對于閉環(huán)運動控制，傳感器接口是外加的一個元件(圖1)。將運動控制邏輯納入數(shù)字領(lǐng)域可以實現(xiàn)分布式環(huán)境控制。運動控制電子和分布網(wǎng)絡(luò)的配合可在車間實現(xiàn)多種新功能，包括遠程管理；適應(yīng)不斷變化的協(xié)議；性能監(jiān)視；以及按期進行維護。

圖1：傳統(tǒng)運動控制實現(xiàn)方法需要多個分立元件。這種閉環(huán)運動控制系統(tǒng)使用一個網(wǎng)絡(luò)接口、微控制器、模擬器件、霍耳 (hall) 傳感器接口和控制邏輯。

舉例說，當今汽車制造業(yè)廣泛使用由步進電機驅(qū)動的機械手。機械手系統(tǒng)使得分布式控制更為復(fù)雜，而不同的機械手要同時在幾個車輛上安裝不同的零件。系統(tǒng)設(shè)計人員主要的挑戰(zhàn)之一是要通過局域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各個機械手和其他自動化設(shè)備的同步。更復(fù)雜的是，遠程管理功能(如監(jiān)視、數(shù)據(jù)共享和遠程配置) 對復(fù)雜的中央控制拓撲結(jié)構(gòu)往往非常關(guān)鍵，也就是說，必需有一個有效的分布控制機制。

隨著半導(dǎo)體工藝和集成度的提高，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 已成為許多電子運動控制應(yīng)用的重要替代平臺。FPGA的發(fā)展迅猛，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中替代了特定用途集成電路(ASIC)。非易失性FPGA是具成本效益的ASIC替代方案，不存在采用ASIC時涉及開發(fā)成本高和開發(fā)時間長的問題。而且，利用FPGA替代固定的邏輯，設(shè)計人員無論在設(shè)計階段還是在應(yīng)用現(xiàn)場，都可以高效、可靠地實現(xiàn)產(chǎn)品升級及定制功能。

以Flash 為基礎(chǔ)的混合信號FPGA (如Actel Fusion PSC) 能在單芯片上實現(xiàn)前所未有的集成度。因此，這類器件可替代多個分立元件，能使成本和占用板卡空間減少最少50%，同時又能維持系統(tǒng)的可靠性(圖2)。而且，混合信號器件上集成的Flash 內(nèi)存可以讓設(shè)計人員存儲設(shè)計文檔，不象那些以SRAM為基礎(chǔ)的FPGA需要另外配置PROM。此外，與其他可重編程FPGA解決方案一樣，可配置和靈活的混合信號FPGA器件可以在開發(fā)過程中甚至應(yīng)用之后，輕易進行設(shè)計變更。

眾所周知，F(xiàn)PGA能通過并行處理加快數(shù)學(xué)運算，使它成為實現(xiàn)電機控制邏輯的理想選擇。FPGA能執(zhí)行更嚴格的控制環(huán)，因此提供更佳的控制和更少的波動和噪聲。設(shè)計人員還能在集成了Flash 內(nèi)存的混合信號FPGA中集成軟處理器核，從片上存儲器直接運行，從而緊密地配合控制邏輯和中斷驅(qū)動程序的需要。由于設(shè)計中的邏輯門數(shù)量和類型及控制邏輯的功能因應(yīng)用而有所不同，即基于性能要求而定；因此，可編程邏輯往往最適合于實現(xiàn)各種用戶接口和數(shù)字控制邏輯，包括網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口、脈沖寬度調(diào)制(PWM)，以及正交編碼器接口和傳感器輸入；這對當今的運動控制系統(tǒng)都非常重要。

網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口

在運動控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口可讓用戶發(fā)出指令對邏輯電路進行初始化、配置和控制，并且遠程管理控制系統(tǒng)。根據(jù)功能和拓撲結(jié)構(gòu)的不同，每個運動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口都可能會采取獨特的實現(xiàn)方式，但有一點共同的是，都會利用接口來提高系統(tǒng)的可訪問性。

目前已經(jīng)有各種各樣的工業(yè)標準接口，如用于本地訪問的通用串行總線(USB)、基于RS232的串口和控制器局域網(wǎng)(CAN) 接口，以及基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的10/100以太網(wǎng)。在苛刻的環(huán)境下，如汽車制造車間，可能還需要無線網(wǎng)絡(luò)接口。這種接口可在制造車間內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)同步、數(shù)據(jù)共享、狀態(tài)監(jiān)視和故障報警。此外，基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)接口則用于延長由任何距離遠程訪問中央制造控制設(shè)施的能力。

圖2：Actel Fusion PSC能在單芯片上為運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)前所未有的功能集成，將可配置模擬、大容量 Flash 內(nèi)存模塊、周全的時鐘生成和管理電路，以及高性能的可編程邏輯全部集成在單芯片中。這個架構(gòu)體系可與Actel的ARM或 8051軟核和其它針對具體應(yīng)用開發(fā)的IP核 (如脈沖寬度調(diào)制器) 同用。

在許多情況下，工業(yè)自動化應(yīng)用都需要特殊的控制算法和裝置來完成特殊的任務(wù)。為實現(xiàn)這些標準接口無法提供的功能，需要考慮采用專門的接口。為了充分發(fā)揮某個分布控制系統(tǒng)的潛力，標準接口或?qū)ｉT的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都必須加到板卡級中，或嵌入到可編程邏輯內(nèi)。而FPGA是將所有接口集成在一起的最佳平臺。特別是，當今的混合信號FPGA器件具有模擬前端，能支持種類眾多的用戶輸入，以及實現(xiàn)運動控制所需的電壓、電流和溫度監(jiān)視功能。

脈沖寬度調(diào)制(PWM)

PWM邏輯并不是所有運動控制應(yīng)用都適用的方案。由于不同電機的繞組圈數(shù)、額定電壓/電流、扭矩曲線和其他參數(shù)的差異很大，因此每種PWM系統(tǒng)都需要對這些差異加以考慮。在PWM控制的系統(tǒng)中，施加電壓的順序決定電機的轉(zhuǎn)動方向。在給定繞組電感下，占空比(或者說脈沖頻率和脈沖串長度) 決定了電機的峰值電流和磁通量(即其扭矩大小)。機械動量和繞組電感(部分由繞組圈數(shù)所決定) 會使PWM電壓變得平滑。通過控制驅(qū)動電路的加壓順序、頻率和占空比，PWM 系統(tǒng)就可控制方向、速度和平均扭矩。利用FPGA 器件，設(shè)計人員可以構(gòu)建最適合系統(tǒng)要求的PWM方案，而不必非得采用傳統(tǒng)的MCU/DSP方案來實現(xiàn)。

正交編碼器接口(QEI)

大多數(shù)高精度電機(如用于機械手的伺服步進電機) 都支持正交編碼器接口。控制系統(tǒng)必需提供正交編碼器接口邏輯來精確電機速度、位置和加速。當然，采用可編程邏輯技術(shù)便可在各種模式下取決于運動控制系統(tǒng)中采用的電機特性，精確并動態(tài)地調(diào)節(jié)速度。

傳感器輸入

對于閉環(huán)運動控制系統(tǒng)，需要有轉(zhuǎn)子位置和/或轉(zhuǎn)數(shù)輸入。這些輸入可以是內(nèi)置的霍耳效應(yīng)傳感器或外接的光學(xué)位置編碼器、同步解析器或磁感應(yīng)傳感器。利用集成的模擬前端，混合信號FPGA將提供更加集成的解決方案，能夠減少部件數(shù)、降低系統(tǒng)成本和提高可靠性。

可靠性和系統(tǒng)正常運行時間

對于今天的電子系統(tǒng)，高性能、低集成成本和快速診斷能力非常關(guān)鍵。診斷和預(yù)報，即確定故障類型并作出預(yù)報的功能，在系統(tǒng)管理中的重要性越來越高。讀取帶有時間標記系統(tǒng)參數(shù)的各種板卡運行的功能或事后分析故障的功能對于系統(tǒng)開發(fā)是無價之寶。同樣地，能構(gòu)建出一個"黑匣子"將為查找故障類型和設(shè)計缺陷節(jié)省寶貴的時間和精力。

混合信號FPGA的片上Flash 內(nèi)存可保存關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)，并對其作時間標記，如電源線路電流消耗、器件溫度和電壓波動等。這些數(shù)據(jù)不僅可用于事后故障分析，而且還可讓創(chuàng)新的設(shè)計人員用于運行中的系統(tǒng)趨勢分析。例如，設(shè)計人員可以測量(當輸入某一電壓時) 繞組的電流和電機的振動，以確定什么情況下按計劃的方式關(guān)閉設(shè)備。在工業(yè)應(yīng)用中，從解決故障問題所需的成本以及設(shè)備關(guān)閉所造成的利潤損失來考慮，按計劃的方案關(guān)閉設(shè)備比意外關(guān)閉的費用要少得多。混合信號FPGA可讓設(shè)計人員通過分析某一特定參數(shù)如何改變板卡的壽命，在故障發(fā)生前作出預(yù)報，從而最大限度地提高機器利用率，延長系統(tǒng)的正常運行時間，并降低可能造成重大損失的系統(tǒng)崩潰風險。

電機的應(yīng)用范圍很廣，而且許多應(yīng)用都正在由機電設(shè)計轉(zhuǎn)向電子設(shè)計。計算機和功率電子器件的成本一直是推廣電子電機控制廣泛應(yīng)用的障礙之一。隨著半導(dǎo)體工藝和功能集成技術(shù)的進步，這個障礙正在慢慢消失。而且，由于今天采用固定功能實現(xiàn)方式的成本仍然很高，常常需要不同的部件和在各個設(shè)計反復(fù)環(huán)節(jié)作板卡級變更，F(xiàn)PGA遂成為了許多運動控制應(yīng)用的替代解決方案。

理想的運動控制設(shè)計往往需要將一些可協(xié)同操作的部件放在一起，使它們能在運行中和諧配合。而混合信號FPGA解決方案的功能集成度非常高，正好能滿足這種需求，可以大幅減少部件數(shù)目、板卡空間和整體系統(tǒng)成本，從而增加系統(tǒng)的可靠性和正常運行時間。

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