三大電機(jī)控制方案之FPGA篇（1）：Actel Fusion - 全文

　　當(dāng)前電機(jī)控制的發(fā)展越來(lái)越趨于多樣化、復(fù)雜化，現(xiàn)場(chǎng)也提出越來(lái)越苛刻的性能要求。因此客戶有可能考慮自己開(kāi)發(fā)專用的控制芯片，FPGA的可編程性正是可以滿足這種需求。

　　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。

　　在電機(jī)控制的市場(chǎng)上，眾多專注于FPGA技術(shù)的廠商接連推出了各具特色的解決方案，本系列將會(huì)為大家介紹這些廠商以及它們?cè)陔姍C(jī)控制領(lǐng)域的代表產(chǎn)品。首先，是身為FPGA三大巨頭之一的Actel 公司。

　　Actel Fusion系列器件

　　Actel Fusion系列器件是業(yè)界首款也是唯一具有模擬功能的Flash架構(gòu)的FPGA，融合了FPGA數(shù)字內(nèi)核、A/D轉(zhuǎn)換器、Flash存儲(chǔ)器、模擬的I /0、RTC等數(shù)字和模擬器件。Fusion器件內(nèi)部具有2～8 Mbit不等的用戶可用Flash存儲(chǔ)器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks／s采樣率的A／D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)100 MHz的RC振蕩器與PLL（鎖相環(huán)）一起共同為FPGA提供時(shí)鐘，以節(jié)省外部時(shí)鐘的開(kāi)銷。這些特點(diǎn)極大地提高了該系列FPGA器件的功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大幅度減少了電路板面積和系統(tǒng)總成本。當(dāng)Fusion系列FPGA器件結(jié)合8051，CortexMl，ARM7等軟件MCU核時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)真正的 SoC系統(tǒng)。Actel Fusion系列器件的眾多特點(diǎn)，使其在電機(jī)控制的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，由它延伸出來(lái)的Smartfusion 數(shù)模混合芯片，十分適合高復(fù)雜度電機(jī)控制的應(yīng)用。

　　產(chǎn)品一覽

　　Actel Fusion的特點(diǎn)

　　單芯片

　　以 Flash 為基礎(chǔ)的 FPGA 將配置信息儲(chǔ)存在片上 Flash 單元中，一旦完成編程后，配置數(shù)據(jù)就會(huì)成為 FPGA 結(jié)構(gòu)的固有部分，在系統(tǒng)上電時(shí)并無(wú)需載入外部配置數(shù)據(jù)。以 Flash 為基礎(chǔ)的 Fusion 融合 FPGA 無(wú)需額外的系統(tǒng)元件，如傳統(tǒng) SRAM FPGA 配置用的串行非揮發(fā)性內(nèi)存 （EEPROM） 或以 Flash 為基礎(chǔ)的微控制器，它們都是用來(lái)在每次上電時(shí)對(duì)傳統(tǒng) SRAM FPGA 加載程序的。增加的融合功能可在電路板上省去多個(gè)附加元件，如 Flash 內(nèi)存、分立模擬 IC 、時(shí)鐘源、EEPROM ，以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，從而減低系統(tǒng)成本和電路板空間需求。

　　低功率

　　Fusion 器件具有類似于 ASIC 的功率特性，因而適用于電池供電產(chǎn)品和其它對(duì)功耗敏感的應(yīng)用。使用Fusion 器件時(shí)，并不會(huì)出現(xiàn)加電浪涌電流和大電流轉(zhuǎn)換，而這是許多 SRAM FPGA 器件所面對(duì)的問(wèn)題。Fusion 器件還具有低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，能實(shí)現(xiàn)最多的功率節(jié)省。這些器件支持睡眠和待機(jī)模式運(yùn)作，可大幅降低功耗。Fusion 器件的另一個(gè)獨(dú)特性能是在非活動(dòng)期間于正常時(shí)鐘速度和低時(shí)鐘運(yùn)作速度之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，并在需要時(shí)轉(zhuǎn)為全速運(yùn)作。

　　上電即行

　　以 Flash 為基礎(chǔ)的Fusion 器件具有上電即行 （LAPU） 特性，一旦施加正常運(yùn)作規(guī)格內(nèi)的系統(tǒng)功率，F(xiàn)usion 器件即可工作。這種上電即行特性能夠大幅簡(jiǎn)化整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并往往可以省去系統(tǒng)中復(fù)雜的可編程邏輯器件 （CPLD） 。

　　安全性

　　Fusion 器件包含了 Microsemi FlashLock? 功能，提供可重編程性和設(shè)計(jì)安全性的獨(dú)特組合，且無(wú)外部元件費(fèi)用。這些優(yōu)點(diǎn)只有通過(guò)帶非揮發(fā)性 Flash 內(nèi)存的 FPGA 才能實(shí)現(xiàn)。Fusion 器件具有基于 Flash 的 128 位安全保護(hù)機(jī)制和業(yè)界領(lǐng)先的片上 AES 解碼內(nèi)核，用于保護(hù)經(jīng)編程的 IP 和配置數(shù)據(jù)。 128 位 AES 是政府機(jī)構(gòu)認(rèn)可速度更快、安全性更高的加密算法，可以替代 DES 。目前，F(xiàn)usion 器件具有最完備的可編程邏輯安全解決方案。以 AES 加密技術(shù)為基礎(chǔ)的Fusion 器件可讓設(shè)計(jì)人員安全地完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和 Flash 內(nèi)容的遠(yuǎn)程更新 （通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)如互聯(lián)網(wǎng)等），確保具價(jià)值的 IP 不會(huì)遭受系統(tǒng)過(guò)建、復(fù)制和 IP 盜竊等問(wèn)題所侵害。雖然編寫在Fusion 器件中的 FPGA 設(shè)計(jì)不能讀回，但可對(duì)其進(jìn)行安全的設(shè)計(jì)驗(yàn)證操作。Fusion 器件采用了許多器件設(shè)計(jì)和布局工藝技術(shù)，使到入侵攻擊難以得逞。例如，F(xiàn)usion 器件的 Flash 單元都位于 7 層金屬層之下，因而極難實(shí)現(xiàn)反向工程。

　　固件錯(cuò)誤

　　固件錯(cuò)誤是高層大氣中產(chǎn)生的高能中子撞擊 SRAM FPGA 配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元所導(dǎo)致的錯(cuò)誤。撞擊產(chǎn)生的能量會(huì)改變 SRAM FPGA 配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的狀態(tài)，從而改變其邏輯、路由或 I/O ，而這種改變是無(wú)法預(yù)測(cè)和控制的。這類錯(cuò)誤在 SRAM FPGA 中不可能避免，因而導(dǎo)致其時(shí)間延續(xù)故障 （FIT） 率值達(dá)數(shù)千。這類錯(cuò)誤可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，引起重大的技術(shù)支持和產(chǎn)品可靠性問(wèn)題。融合 FPGA 的配置元素 （即 Flash 存儲(chǔ)單元） 便不會(huì)被高能中子改變，因此具有中子引發(fā)的固件錯(cuò)誤免疫力。

　　融合技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

　　單芯片提供所有功能

　　直至融合技術(shù)問(wèn)世前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員被迫采用成本高、占位空間多的分立模擬組件和可編程邏輯或混合信號(hào) ASIC 方案來(lái)執(zhí)行一般的系統(tǒng)。固定的架構(gòu)及其它技術(shù)障礙都阻止各個(gè)組件集成到一個(gè)低成本的單芯片中，以滿足所有設(shè)計(jì)需求。

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　　外部高電壓接口

　　Fusion 器件具有真正的外部高電壓接口；擁有多達(dá) 30 個(gè)耐高壓模擬輸入，可與 -12V 到 +12V 的信號(hào)直接連接，因此無(wú)需信號(hào)預(yù)調(diào)節(jié)電路?；谌诤霞夹g(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 可以配置，并支持高達(dá) 12 位的信號(hào)采樣率，采樣速度達(dá) 600 ksps 。Fusion 器件還具備額外的功能，包括多個(gè)差分輸入電流監(jiān)控功能塊，每個(gè)均內(nèi)置放大器，能增加靈敏度和效率。Fusion 器件還集成了溫度監(jiān)控電路，只需外接二極管便可遠(yuǎn)程監(jiān)控多項(xiàng)溫度。Fusion 器件具有多達(dá) 10 個(gè)大電流驅(qū)動(dòng)輸出，最適用于 MOSFET 控制和/或脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 功能，如直接風(fēng)扇控制。

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　　功率管理和熱管理

　　Fusion 器件具有 0 級(jí)上電即用 （LAPU） 功能，只需 3.3V 單電源便可運(yùn)行。由于啟動(dòng)要求不高，F(xiàn)usion 器件可充當(dāng)終極的系統(tǒng)管理器，能夠監(jiān)視和控制板上各個(gè)電源的上電順序。各個(gè)電源的電壓上升速率可通過(guò)Fusion 器件進(jìn)行編程。結(jié)合其溫度監(jiān)控功能和 MOSFET/PWM 性能，F(xiàn)usion 器件能輕易集成系統(tǒng)控制板的熱管理能力。

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　　動(dòng)態(tài)系統(tǒng)配置

　　Fusion 器件可將多項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)功能集成在一個(gè)單芯片中，因而成為許多前沿系統(tǒng)管理協(xié)議的理想載體。

　　低功耗

　　基于采用低功耗、高性能的Flash內(nèi)存工藝，F(xiàn)usion 器件提供業(yè)界領(lǐng)先的低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗。Fusion 器件還具有多項(xiàng)睡眠和待機(jī)工作模式，進(jìn)一步延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的電池壽命。Fusion 器件的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器（RTC） 能實(shí)現(xiàn)各種功能，如睡眠、待機(jī)、定期喚醒、低速或低功耗運(yùn)行。此外，它還配有 1% RC 振蕩器和雙引腳晶體振蕩器電路，能夠省去昂貴的外部時(shí)鐘源。

　　重新配置系統(tǒng)

　　Fusion 器件架構(gòu)繼承了 Microsemi 成功的 ProASIC?3 系列 Flash PGA的可配置性和現(xiàn)場(chǎng)可編程性優(yōu)勢(shì)，能在制造過(guò)程中或制造完成后在現(xiàn)場(chǎng)安全地進(jìn)行編程。由于Fusion 器件可以在單一硬件平臺(tái)支持多種項(xiàng)目和產(chǎn)品，因此能讓設(shè)計(jì)人員享有批量采購(gòu)器件的優(yōu)勢(shì)，并同時(shí)針對(duì)不同市場(chǎng)進(jìn)行產(chǎn)品的定制設(shè)計(jì)。而固件 （Flash 內(nèi)存） 和硬件的更新都能在一個(gè)步驟中完成。

　　Actel Fusion FPGA的無(wú)刷電機(jī)（BLDC）控制

　　1 前言

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　　無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）具有體積小，無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，一直都是電機(jī)應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。目前無(wú)刷電機(jī)控制基本上都是采用霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)子位置反饋元件，但位置傳感器的存在不僅增加了電機(jī)的體積和成本，很大程度上還成為電機(jī)的故障源之一，使系統(tǒng)可靠性降低。所以無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)控制方案業(yè)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

　　近年來(lái)，采用數(shù)字控制的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，已逐漸成為今后無(wú)刷電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)。在此采用Actel公司的Fusion系列混合信號(hào) FPGA為控制器核心，設(shè)計(jì)了一款無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)控制器。采用Fusion內(nèi)部特有的12位多路高速A／D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)，使用內(nèi)嵌的51軟核實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制算法，成功實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方案，具有系統(tǒng)硬件方案簡(jiǎn)單，集成度高，可靠性好，調(diào)速精度高等優(yōu)點(diǎn)。

　　2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　2．1 Fusion FPGA簡(jiǎn)介翻

　　Actel Fusion系列器件是業(yè)界首款也是唯一具有模擬功能的Flash架構(gòu)的FPGA，融合了FPGA數(shù)字內(nèi)核、A/D轉(zhuǎn)換器、Flash存儲(chǔ)器、模擬的I /0、RTC等數(shù)字和模擬器件。Fusion器件內(nèi)部具有2～8 Mbit不等的用戶可用Flash存儲(chǔ)器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks／s采樣率的A／D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)100 MHz的RC振蕩器與PLL（鎖相環(huán)）一起共同為FPGA提供時(shí)鐘，以節(jié)省外部時(shí)鐘的開(kāi)銷。這些特點(diǎn)極大地提高了該系列FPGA器件的功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大幅度減少了電路板面積和系統(tǒng)總成本。當(dāng)Fusion系列FPGA器件結(jié)合8051，CortexMl，ARM7等軟件MCU核時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)真正的 SoC系統(tǒng)。Actel Fusion系列FPGA器件是迄今為止最全面的單芯片模擬與數(shù)字可編程邏輯系統(tǒng)的解決方案。

　　2．2 控制器方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)無(wú)刷電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法原理，結(jié)合Actel FusionFPGA的內(nèi)部功能特性，設(shè)計(jì)了圖1所示的無(wú)刷電機(jī)控制方案。

　　在該設(shè)計(jì)方案中，F(xiàn)usion AFS600作為控制器核心，用內(nèi)嵌的軟核8051 MCU實(shí)現(xiàn)控制算法，高速12位A/D轉(zhuǎn)換器分別檢測(cè)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)和外部電位器設(shè)定電壓。電位器設(shè)定電壓用于確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過(guò) FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)LCD液晶屏接口，用于顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速。此外一個(gè)重要的模塊是三相PWM波形發(fā)生模塊，通過(guò)可編程計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。PLL模塊用于向單片機(jī)、A／D轉(zhuǎn)換器和PWM模塊提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。

　　外圍電路主要包括：LCDl602字符型液晶顯示器、設(shè)定轉(zhuǎn)速的電位器和無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用A3935三相全橋器件配合6個(gè)大功率NMOS管IRF2807S實(shí)現(xiàn)完整的無(wú)刷電機(jī)控制方案。每項(xiàng)繞組的反電動(dòng)勢(shì)通過(guò)串聯(lián)電阻分壓并濾波再送入Fusion AFS600內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器。A3935是一款汽車級(jí)三相功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，特別適用于無(wú)刷電機(jī)控制，具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱、短路和開(kāi)路監(jiān)控功能，功能強(qiáng)，可靠性高等功能。

　　2．3 三相PWM產(chǎn)生

　　設(shè)計(jì)方案中采用Fusion的邏輯門電路實(shí)現(xiàn)了PWM頻率和占空比可連續(xù)調(diào)節(jié)的PWM發(fā)生模塊。其中，設(shè)定的頻率參數(shù)和占空比可根據(jù) A/D轉(zhuǎn)換器采集的電位器電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的參數(shù)值，只要調(diào)節(jié)外部電位器就能產(chǎn)生6路占空比可調(diào)的PWM信號(hào)波形。下面給出的相關(guān)代碼是采用 VerilogHDL語(yǔ)言編寫的一部分三相PWM的源碼。圖2示出用示波器測(cè)出的其中兩路PWM信號(hào)波形。

　　2．4 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)

　　實(shí)現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)原理是：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，同一時(shí)間只有兩相繞組處于工作狀態(tài)，即該兩相所對(duì)應(yīng)的功率器件處于PWM狀態(tài)，而第三相處于懸空狀態(tài)，其端電壓等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)就發(fā)生在該相繞組懸空期間。此時(shí)通過(guò)檢測(cè)端電壓就能間接檢測(cè)該相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。該控制器的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)采用Fusion系列FPGA器件內(nèi)部的模擬模塊，三相端電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓濾波后送入Fusion系列FPGA器件內(nèi)的12位A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行分時(shí)采樣。Fusion系列FPGA器件內(nèi)部采用分時(shí)循環(huán)采樣電位器設(shè)定電壓和三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)電壓，A／D轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換結(jié)果分別存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器。A／D轉(zhuǎn)換器循環(huán)采樣部分的

　　圖3示出用示波器測(cè)量到的實(shí)際反電動(dòng)勢(shì)μ1和μ2的波形，由于反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的模擬濾波處理，信噪比較好，便于FPGA進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)。

　　2．5 控制軟件設(shè)計(jì)

　　上述有關(guān)PWM產(chǎn)生模塊和A／D轉(zhuǎn)換器循環(huán)采樣模塊都是用Verilog HDL語(yǔ)言編寫的，在Actel Libero IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下編譯通過(guò)并作為模塊調(diào)用，而調(diào)速控制算法的實(shí)現(xiàn)則使用了Fusion系列FPGA器件內(nèi)部的8051軟核實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)工具是Keil C。圖4示出51軟核的算法流程。

　　3 結(jié)論

　　無(wú)刷電機(jī)控制器硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上分別編制開(kāi)發(fā)了FPGA內(nèi)部各功能單元，并進(jìn)行了編譯鏈接和引腳分配。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)刷電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。所用無(wú)刷電機(jī)24 V供電，額定轉(zhuǎn)速l 600 r／min。由該FPGA控制器控制的調(diào)速范圍為760~1 600 r／min內(nèi)連續(xù)可調(diào)。該控制器的實(shí)現(xiàn)充分體現(xiàn)了Actel Fusion系列混合信號(hào)FPGA在模數(shù)混合系統(tǒng)應(yīng)用中的高度集成性，真正單片SoC的優(yōu)點(diǎn)，為Fusion系列FPGA器件的應(yīng)用提供了參考價(jià)值。

　　SmartFusion

　　是全新的ARM和FPGA的混合體，在Actel獨(dú)特的模數(shù)混合的Fusion系列的基礎(chǔ)上融入了高效的ARM內(nèi)核——Cortex-M3，該內(nèi)核屬于硬核，不占用FPGA的邏輯資源，不僅具有FPGA的高速并行的特點(diǎn)，而且可以發(fā)揮ARM靈活控制的長(zhǎng)處，取長(zhǎng)補(bǔ)短。

　　功能框圖

　　芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

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　　Actel Smartfusion數(shù)?；旌闲酒形馁Y料

　　Actel Smartfusion多軸伺服電機(jī)控制解決方案

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　　Fusion用于外圍器件管理的系統(tǒng)

　　基于 Actel FPGA 的 CoreFFT 應(yīng)用

　　基于 Actel FPGA 的 TFT 顯示控制方案一

　　基于 Actel FPGA 的多串口擴(kuò)展方案

　　基于Actel FPGA的正交解碼方案
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