【導讀】 工業(yè)市場的近期發(fā)展推動了對具有高集成度、高性能、低功耗FPGA器件的需求。設計人員更喜歡網(wǎng)絡通信而不是點對點通信，這意味著可能需要額外的控制器用于通信，進而間接增加了BOM成本、電路板尺寸和相關NRE（一次性工程費用）成本。

    總體擁有成本用于分析和估計購置的壽命周期成本，它是所有與設計相關的直接和間接成本的擴展集，包括工程技術成本、安裝和維護成本、材料清單（BOM）成本和NRE（研發(fā)）成本等。通過考慮系統(tǒng)級因素有可能最大限度地減少總體擁有成本，從而帶來可持續(xù)的長期盈利能力。

    美高森美公司（Microsemi）提供具有硬核ARM Cortex-M3微控制器和IP集成的SmartFusion2 SoC FPGA器件，它采用成本優(yōu)化的封裝，具有減少BOM和電路板尺寸的特性。這些器件具有低功耗和寬溫度范圍，能夠在沒有冷卻風扇的極端條件下可靠地運行。 SmartFusion2 SoC FPGA架構將一個硬核ARM Cortex-M3 IP與FPGA架構相集成，可以實現(xiàn)更大的設計靈活性和更快的上市時間。美高森美為電機控制算法開發(fā)提供了具有多個多軸電機控制參考設計和IP的生態(tài)系 統(tǒng)，使由多處理器解決方案轉向單一器件解決方案（即SoC FPGA）更加容易。

影響TCO的因素

以下是影響系統(tǒng)TCO的一些因素。

   （1）長壽命周期。FPGA可以在現(xiàn)場部署之后進行重新編程，這延長了產(chǎn)品的壽命周期，從而使設計人員能夠專注于新產(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)更快的上市時間。

   （2）BOM.美高森美基于閃存技術的FPGA在上電時無需啟動PROM或閃存MCU來加載FPGA，它們是零級非易失性/即時啟動器件。與基于SRAM的FPGA器件不同，美高森美基于閃存的FPGA無需附加上電監(jiān)控器，這是因為閃存開關不會隨電壓而改變。

   （3）上市時間。OEM廠商之間的激烈競爭迫切需要更多的產(chǎn)品差異化和更快的上市時間。經(jīng)過驗證的IP模塊可大幅縮短設計時間。目前已經(jīng)可以提供多個構 建工業(yè)解決方案所需的IP模塊，同時更多的模塊正在開發(fā)中。SoC表現(xiàn)出的另一個獨特優(yōu)勢是可以用于調試FPGA設計。為了調試FPGA設計，可以通過用 于調試的高速接口，利用微控制器子系統(tǒng)從FPGA中提取信息。

   （4）工程工具成本。與FPGA開發(fā)工具昂貴的概念相反，美高森美提供用于FPGA開發(fā)的免費Libero SoC IDE，僅在開發(fā)高端器件時才需要付費。

工業(yè)驅動系統(tǒng)

    工業(yè)驅動系統(tǒng)由一個電機控制器件和一個通信器件構成，電機控制器件包含了驅動逆變器的邏輯和保護邏輯，通信器件則使監(jiān)控控制能夠對運行時間參數(shù)進行初始化和修改。

    在典型的驅動系統(tǒng)（圖1）中，可能使用多個控制器器件來實現(xiàn)驅動邏輯。一個器件可能執(zhí)行與電機控制算法相關的計算，第二個器件可能運行與通信相關的任務，第三個器件則可能運行與安全性相關的任務。

多軸電機控制

    傳統(tǒng)上，工業(yè)電機控制應用使用微控制器或DSP來運行電機控制所需的復雜算法，在大多數(shù)傳統(tǒng)的工業(yè)驅動中，FPGA與微控制器或DSP一起使用，用于數(shù) 據(jù)采集和快速作用保護。除了數(shù)據(jù)采集、PWM生成和保護邏輯，FPGA傳統(tǒng)上并未在實現(xiàn)電機控制算法方面發(fā)揮主要作用。

    使用微控制器或DSP實現(xiàn)電機控制算法的方法并不容易擴展到多個以獨立速度運行的電機（多軸電機控制），美高森美SmartFusion2 SoC FPGA可以使用單一器件來實現(xiàn)集成且完整的多軸電機驅動控制（圖2）。

    控制方面可以分為兩個部分。一個部分用于運行磁場定向控制（FOC）算法、速度控制、電流控制、速度估計、位置估計和PWM生成；另一個部分則包括速度 曲線、負載特性、過程控制和保護（故障和報警）。執(zhí)行FOC算法屬于時間關鍵型，需要在極高的采樣速率下進行（在微秒范圍），特別是針對具有低定子電感的高速電機。這使得在FPGA中實現(xiàn)FOC算法變得更優(yōu)越。過程控制、速度曲線和其他保護無需快速更新，因而能夠以較低的采樣速率執(zhí)行（在毫秒范圍），并且能夠在內置Cortex-M3子系統(tǒng)中進行編程。

    晶體管開關周期在驅動中發(fā)揮著重要的作用，如果FOC回路執(zhí)行時間比開關周期短得多，硬件模塊可以重用于計算第二個電機的電壓。這意味著器件可以在相同的成本下提供更高的性能。

   （1）電機控制IP模塊。圖3為無傳感器磁場定向控制算法，這一部分將會討論這些模塊，它們作為IP核提供。

    ● PI控制器。比例積分（PI）控制器是用于控制系統(tǒng)參數(shù)的反饋機制，它具有兩個用于控制控制器動態(tài)響應的可調增益參數(shù)-比例和積分增益常數(shù)。PI控制器的 比例分量是比例增益常數(shù)和誤差輸入的乘積，而積分分量是累積誤差和積分增益常數(shù)的乘積。這兩個分量被加在了一起。PI控制器的積分階段可能在系統(tǒng)中引起不 穩(wěn)定，因為數(shù)據(jù)值不受控制地增加。這種不受控制的數(shù)據(jù)上升稱作積分飽卷，所有的PI控制器實現(xiàn)方案都包括一個抗飽卷機制，用于確保控制器輸出是有限的。美 高森美的PI控制器IP模塊使用hold-on-saturation（保持飽和）算法用于抗飽卷。這個模塊還提供附加特性以設置最初的輸出值。

    ● 磁場定向控制（FOC）。FOC是通過獨立地確定和控制轉矩和磁化電流分量來為電機提供最優(yōu)電流的算法。在永磁同步電機（<span style="padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0p