運動控制和混合信號FPGA

運動控制和混合信號FPGA

　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。隨著各種技術和應用大量涌現(xiàn)，從家電領域到工業(yè)自動化生產線，大家關注的重點還是在增加設計和提高電源效率的同時能減少設計、開發(fā)和整體的系統(tǒng)成本。

　　與此同時，運動控制應用的復雜程度也越來越高，已從簡單的開/關型控制向在高度集成環(huán)境中具備精確控制的可變速應用發(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)字領域可以實現(xiàn)分布式環(huán)境控制。運動控制電子和分布網絡的配合可在車間實現(xiàn)多種新功能，包括遠程管理；適應不斷變化的協(xié)議；性能監(jiān)視；以及按期進行維護。

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??????? 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)使用一個網絡接口、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動的機械手。機械手系統(tǒng)使得分布式控制更為復雜，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)設計人員主要的挑戰(zhàn)之一是要通過局域網絡實現(xiàn)各個機械手和其他自動化設備的同步。更復雜的是，遠程管理功能(如監(jiān)視、數(shù)據共享和遠程配置) 對復雜的中央控制拓撲結構往往非常關鍵，也就是說，必需有一個有效的分布控制機制。

　　隨著半導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用的重要替代平臺。FPGA的發(fā)展迅猛，在許多應用領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，設計人員無論在設計階段還是在應用現(xiàn)場，都可以高效、可靠地實現(xiàn)產品升級及定制功能。

　以Flash 為基礎的混合信號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 內存可以讓設計人員存儲設計文檔，不象那些以SRAM為基礎的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)過程中甚至應用之后，輕易進行設計變更。

　　眾所周知，F(xiàn)PGA能通過并行處理加快數(shù)學運算，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。設計人員還能在集成了Flash 內存的混合信號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動程序的需要。由于設計中的邏輯門數(shù)量和類型及控制邏輯的功能因應用而有所不同，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，包括網絡和外設接口、脈沖寬度調制(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。

　　網絡和外設接口

　　在運動控制系統(tǒng)中，網絡和外設接口可讓用戶發(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)。根據功能和拓撲結構的不同，每個運動控制系統(tǒng)的網絡和外設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(CAN) 接口，以及基于TCP/IP網絡協(xié)議的10/100以太網。在苛刻的環(huán)境下，如汽車制造車間，可能還需要無線網絡接口。這種接口可在制造車間內實現(xiàn)系統(tǒng)同步、數(shù)據共享、狀態(tài)監(jiān)視和故障報警。此外，基于TCP/IP的網絡接口則用于延長由任何距離遠程訪問中央制造控制設施的能力。

??????? 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。這個架構體系可與Actel的ARM或 8051軟核和其它針對具體應用開發(fā)的IP核 (如脈沖寬度調制器) 同用。

　　在許多情況下，工業(yè)自動化應用都需要特殊的控制算法和裝置來完成特殊的任務。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，標準接口或專門的網絡協(xié)議都必須加到板卡級中，或嵌入到可編程邏輯內。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。

　脈沖寬度調制(PWM)

　　PWM邏輯并不是所有運動控制應用都適用的方案。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，設計人員可以構建最適合系統(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?？刂葡到y(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)，需要有轉子位置和/或轉數(shù)輸入。這些輸入可以是內置的霍耳效應傳感器或外接的光學位置編碼器、同步解析器或磁感應傳感器。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鍵。診斷和預報，即確定故障類型并作出預報的功能，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，能構建出一個"黑匣子"將為查找故障類型和設計缺陷節(jié)省寶貴的時間和精力。

　　混合信號FPGA的片上Flash 內存可保存關鍵的系統(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)據不僅可用于事后故障分析，而且還可讓創(chuàng)新的設計人員用于運行中的系統(tǒng)趨勢分析。例如，設計人員可以測量(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閉設備。在工業(yè)應用中，從解決故障問題所需的成本以及設備關閉所造成的利潤損失來考慮，按計劃的方案關閉設備比意外關閉的費用要少得多?；旌闲盘朏PGA可讓設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。

　　電機的應用范圍很廣，而且許多應用都正在由機電設計轉向電子設計。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用的障礙之一。隨著半導體工藝和功能集成技術的進步，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計反復環(huán)節(jié)作板卡級變更，F(xiàn)PGA遂成為了許多運動控制應用的替代解決方案。

　　理想的運動控制設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。