选择最适合的电机控制方案

作者：    来源：电子工程专辑

欢迎访问e展厅 展厅 4 伺服与运动控制展厅 电机驱动器, 伺服电机, 伺服控制系统, 数控系统, ... --MCU、DSP还是FPGA？ 不同应用对电机控制器的要求有很大的区别。目前市场上的控制器/驱动器解决方案各有千秋，包括了针对特定简单应用的标准控制器/驱动器、以及采用外部缓冲栅极驱动器和功率级的MCU、DSP和FPGA。 MCU是目前市场主流的电机控制方案，适用于高、中、低端电机控制。通过内部集成的电机控制模块，可简化客户对于电机控制的开发；而相对于DSP较强的控制功能，能更好地实现电机的伺服控制和保护功能。此外在32位处理器，通过提高运算处理速度，也可以很好地实现空间矢量、磁场定位和PD闭环调节的复杂控制。 对于小型BLDC冷却风扇等简单的低功耗电机控制应用来说，专用标准电机控制IC可以实现低成本。但对要求苛刻的应用来说，就更适合使用DSP、MCU和FPGA，因为可以增加其他系统管理功能，例如监测电机参数和状态，以及与主机系统的通信等。“不过，DSP、MCU和FPGA需要外部栅级驱动器和功率器件。”Diodes全球策略市场经理Khagendra Thapa表示。 “目前，8位MCU主要用于低成本，低性能场合，16位、32位DSP/MCU则用于中/高性能场合。其中DSC的性价比是比较高的。”飞思卡尔微控制器事业部高级系统工程师Charlie Wu指出，“FPGA主要用于与DSC/MCU配合产生特殊的PWM信号，它主要用于大功率应用场合。” “关于电机控制方案，DSP、MCU和FPGA各有其优特点。DSP因为数据处理能力强、运算速度快，适用于高端复杂的电机系统控制，如实现交流感应电机的空间矢量控制算法、无传感器的空间定位等，但它依赖于软件算法的成熟度和稳定性，对开发者的要求比较高。此外因为内核电压及接口电平主要是3.3V或者1.8V，对电机驱动器需要相关电平的驱动电路支持。”富士通微电子（上海）有限公司产品经理彭涛分析指出，“FPGA通过集成逻辑电路及专用电机驱动电路，能够很好地适用于客户化的电机驱动，但在电机控制的通用性方面略有不足。” “单片机带DSP的功能一般运用于比较高端的，速度要求比较快的应用。英飞凌的16位单片机和32位单片机都是带 DSP功能的单片机，其中32位支持浮点运算。”英飞凌科技（中国）有限公司工业及多元化电子市场事业部销售及业务开发高级总监石敬岩先生指出，“FPGA有自己的特点，它很灵活，但入门门槛高，单价高。一般用于量不大的领域。” FPGA厂商的观点如何呢？本文请到了两家FPGA厂商谈谈其产品在电机控制方面的应用现状。 赛灵思亚太区 现在的电机控制需要高性能和高效率，对控制精度和响应时间提出了更高的要求。基于异步电动机矢量控制的技术自70年代发明以来得到了极为广泛的应用。这种控制方法现已较成熟，已经产品化且产品质量稳定。但是因为这种方法采用了较复杂的坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。另外在对于一些考虑成本和周围环境的地方，无速度传感器技术也得到广泛重视。这无疑也对芯片的处理能力提出更高要求。随着现代控制理论、MCU/DSP/FPGA等半导体器件以及电力电子开关器件的迅速发展，实现高性能无速度传感器的矢量调速系统是未来电机控制市场的发展趋势。 MCU通常侧重于I/O接口的数量和可编程存储器的大小，非常适用于有大量的I/O操作的场合，所以广泛应用在低成本,低功耗和对精度要求不高的系统中。但由于本身处理能力有限，应用的场合受到了比较大的限制。DSP芯片内部集成了模/数转换、数字输入/输出、串口通信、电机控制PWM信号输出等接口，因此使得电机控制系统硬件设计灵活、简易，而且DSP比较擅长高速运算，所以一般用于相对高档的控制系统中，如伺服电机控制。FPGA则在高端电机应用中显示出卓越的性能，它实现了快速响应、多轴同时处理、灵活多样的外设接口、多种工业总线的支持。 对于电机控制提出的不同要求，FPGA芯片固有的可编程性和并行处理的特点十分适合于中高端的电机控制应用。由于它以纯硬件的方式进行并行处理，而且不占用CPU的资源，所以可以使系统达到很高的性能。当前电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化，现场也提出越来越苛刻的性能要求。因此客户有可能考虑自己开发专用的控制芯片，FPGA的可编程性正是可以满足这种需求。 目前大部分产品都把电流环控制作为DSP的一个协处理来考虑，而速度或位置环控制则由DSP芯片来实现。一般情况下，由于位置控制比较灵活，且差异性比较大，很难做到通用性，所以位置环一般由DSP来直接完成；但速度和电流环相对具有通用性，且互相关联紧密，以致高性能的速度控制都离不开电流控制，因此完全可以把它们集成到一个芯片中处理，这样既可以实现速度伺服控制，又可以单独进行电流控制，还可以和DSP共同构成位置伺服系统。赛灵思FPGA内部还提供了32位MCU Microblaze，则可以进一步把位置、速度、电流三种控制全部由一片FPGA来实现，客户可以完全定制出一款满足特殊需要的SOC芯片。而且一旦试制成功如要大批量生产，还可以按照FPGA的设计直接定做ASIC芯片来降低成本。另外，FPGA在很多场合也充当MCU/DSP的协处理功能，在组合逻辑、总线和接口扩展方面也充当着十分重要的角色。 另外随着工艺技术水平的提高，FPGA芯片在功耗和成本方面也越来越显示出明显的优势。赛灵思公司最近推出的Spartan-6系列是基于45纳米技术，十分适合工业控制的应用，它内部集成了DSP硬核、存储控制器硬核、PCIe硬核等先进技术，客户可以实现矢量控制算法，高速互联来满足复杂的伺服系统要求。 FPGA作为MCU/DSP协处理器功能已经广泛应用在大部分电机控制产品中，提供了诸如逻辑、接口扩展和总线功能。同时赛灵思的第三方，如赛灵思授权代理商安富利公司也提供了大量的外设接口和工业总线IP核，丰富了电机控制领域的应用。 赛灵思会在近期推出基于交流电机矢量控制的参考设计，并提供演示板和FPGA源代码。客户可以在此平台基础上开发适合自己应用的产品。我们还计划提供运动控制引擎和直接转距控制的算法实现，给客户提供更多的选择以满足现场更高性能的需要。 我们的FPGA芯片已经在高端数控机床、高端伺服系统、高端变频器、激光打标机、机器人产品中得到了广泛应用。国外的大企业如Siemens、GE、ABB等大多采用FPGA做为核心处理平台来实现一片SOC的解决方案。目前国内企业在高端伺服产品的研发水平还远远落后于国外、但我们相信在中国政府鼓励国内企业研发自己知识产权的产业政策下，FPGA必将充当越来越重要的角色。 Actel公司 现在，市场已经出现广泛的采用电机控制的新兴市场应用，因此也对电机控制器/驱动器提出不同的要求。用于AC和DC电机控制的新设计必须具备以下特点：高效率、尽可能低的功耗；工作时间较长而性能不受影响。 传统上，嵌入式系统设计人员一直考虑采用MCU+ASSP解决方案。然而设计人员通过使用结合MCU、模拟外设、嵌入式闪存、可编程逻辑，以及真正的单芯片运作的解决方案(如SmartFusion)，现在可以实现先前仅有定制解决方案能够达到的高集成度水平。 SmartFusion智能混合信号FPGA对系统运作有着重要的影响。由于ARM Cortex-M3处理器是与FPGA架构分离的标准单元模块，这样，二者可以独立地运作。因此，FPGA架构在进行重新编程时，无需中断处理器的运作。这也允许在处理器处理关键性的系统功能的同时，根据需要更新用户逻辑的功能。同样地，在处理器固件更新期间，用户逻辑也可以继续运作。 该智能混合信号FPGA提供了以下性能优势：可定制的稳健的PWM，实现更精密的控制算法；相比软件解决方案，具有速度更快、确定性更高的控制系统，从而减少电流纹波和噪声；即时响应用户I/O(如紧急制动报警)；控制算法的硬件加速；高速闪存能够更快地访问查找表等。 Actel的DSP设计流程可让设计人员使用Matlab和Simulink，配合完备的DSP blockset和Actel IP集，以较高的抽象水平来评测算法。DSP设计人员现在可以使用我们业界领先的工具集，运行一个无缝、直观的设计流程，来解释、优化和验证RTL级、逻辑门级和物理级设计。 在传统的电机应用中使用更小、更具成本效益的电机，渐渐成为工业领域使用电子电机控制技术的一个重要因素。SmartFusion FPGA可为需要真正的系统级芯片(SoC)解决方案的嵌入式系统设计人员提供比传统固定功能微控制器方案更大的灵活性，且成本比嵌入软核处理器传统FPGA方案低得多。 SmartFusion FPGA提供了一个低功耗、单芯片方案，优化AC感应电机中的转差频率控制。它集成了CPU、NVM、ADC，以及模拟接口，增强了控制回路，并提高了效率、可靠性和节能性能，使得电机具备更高的效率和更低的功耗。此外，大容量嵌入式非易失性存储器能够提供所需的安全性以保护定制的控制算法。Actel正在积极开发基于SmartFusion的永磁同步电机的多轴电机控制解决方案，特点是使用SmartFusion的独特优势进行精密的控制算法。 Actel同时通过IGLOO超低功耗FPGA系列，满足低功耗和手持式应用的要求，是用于微型电机控制的理想解决方案。在无刷DC或步进电机中，IGLOO系列可以用于有传感器或无传感器的应用。 SmartFusion和IGLOO系列广受欢迎，因其具备以下特性和优势： * 以单芯片方案实现多个电机的高性能精密有源控制，减低材料清单成本和组装成本，以及减小占位面积并提高系统稳定性。 * 管理功率、方向、速度、转矩，并提供保护以防止过载或故障 * 采用FPGA来实现超快速的闭环算法，而Cortex-M3则管理其余部分 * 电机控制开发工具套件带有五个参考设计，用于演示和实验室开发 * 开发周期很短，实现产品快速上市(end)

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