电动机总体上消耗了很大一部分的全球电力。市场研究机构IHS Technology指出,96%的电机寿命周期成本是纯电力成本。监管机构为它们实施了更严格的能源标准。而且,制造商正在审查其在设备总体成本(TCO)中所占的巨大比率。这带来了更复杂的电机控制设计,这些设计使用基于传感器和无传感器反馈回路和先进的算法,实现更精密的控制和更高的电机效率。

电机设计人员还必需支持不断变化的工业控制标准和技术,同时提供关键性系统功能以确保安全性、可调节性和可靠性。要满足能效和系统级功能需求增强的双目标,需要充分的算法处理能力和灵活的可调节系统架构。基于闪存的非易失性安全低功耗系统级芯片(SoC)FPGA器件通过提供必需的功率,同时结合固有和分级的安全性和可靠性,能够同时应对这两个挑战,不但可保护物联网(IoT)应用的通信,并且具有在各种多轴或高RPM应用中快速、轻易地从小占位面积转换至功能丰富的定制电机设计的可调节性。

挑战

虽然传统设计使用简单的标量控制、高效电机在所有转矩和速度范围使用磁场定向控制(FOC),以显著提升效率。由于采用电流控制,FOC还可以根据应用需求来优化功率逆变器电路和电机占位面积。它使用反馈回路,带有或不带有传感器,以及复杂算法来调整关键的电机动作参数,包括速度、位置或角度、转矩、电流及通量。传统上,单轴或双轴设计利用微控制器(MCU)和DSP处理算法,但其处理能力无法跟上日益增长的多轴或高旋转电机性能需求。此外,现时的情况日趋复杂,因为除了电机控制的效率外,我们很多时候还要关注其他问题,尤其是联网的工厂,现今的物联网(IoT)环境对于安全通信带来了重要的要求—这是基于闪存的FPGA架构适宜处理的挑战。

20160921A01

图1:可以用于电机控制和监控功能,基于闪存的SoC FPGA架构示例。

在电机控制设计的功率电子方面,存在着从绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件转向碳化硅(SiC)功率MOSFET器件的迁移,SiC解决方案提供更高的带隙以提升冷却性能(因而可以使用较小、较廉价的散热片)、更好的热传导性以提高功率密度,以及更高的开关频率(超过100kHz),因而可以在逆变器级使用更小的磁件,有助于降低客户的TCO。

在控制端,DSP和MCU器件在较高开关频率场合的表现不佳,某些DSP可以优化几个用于高频开关的通道,但是,它们仍然缺乏快速适应需求变化, 以及增添更多脉宽调制(PWM)通道来控制功率电子级(事实上,这通常卸载至FPGA器件)的能力。ASIC和ASSP器件具有相同的灵活性和扩展性难题。

基于闪存的FPGA器件提供比基于MCU/DSP解决方案的更高性能,用于高速、低迟滞算法处理,同时集成附加的系统功能以进一步提升TCO。设计人员能够使用基于闪存的FPGA来调节至更高的开关频率和更多的PWM通道,以匹配功率电子装置,从而支持超越MCU/DSP的功能。

图1所示为带有ARM Cortex-M3微控制器的基于闪存SoC FPGA器件,可以用于电机控制和监控功能。这个FPGA用于电机控制功能的硬件加速,以提升性能和设计灵活性。电机控制算法可以运行在FPGA器件,以实现更快速的并行处理,它具有智能分区,以确保微控制器子系统中的所有通信协议处理都不会影响到在FPGA器件内运行的电机控制算法计算。

即插即用IP模块化套件,经定制实施所有必需的数学电机模型,完善了今天的FPGA解决方案。开发人员可以确定哪一个IP模块用于FPGA架构中的硬件加速,从而能够应对全系列算法处理挑战。这些解决方案确保低功耗运作,同时推动开发人员优化其系统以使用加快上市速度的简化设计过程,同时提供满足不断演进之需求的灵活性和可扩展性,从而实现高可靠性、高安全性和保密功能。

低功耗运作

用于电机控制设计的FPGA器件必需同时减小静态功率和总体功率,特别是在高频率和高温下。与必需在上电期间从外部ROM进行配置的使用六个晶体管的SRAM单元的FPGA相比,具有内置单晶体管闪存单元的FPGA更具有优势。基于闪存的最新FPGA解决方案还使用了全面的方法来最大限度地降低功耗, 包括工艺技术、架构和可配置逻辑设计, 以及嵌入式功能,包括增强的M3 MCU、5G SERDES、DDR2/3、TSE、DSP模块, 以及专用功率模式。与基于SRAM的FPGA解决方案相比,这种方法可降低50%总体功率和降低10%静态功率。

可靠性、安全性和保密性

正常情况下,在实施确定性定时很重要的电机控制和网络功率方面,FPGA器件更为可靠。微控制器的定时变化可能高达数毫秒,而FPGA器件的定时变化则少于数纳秒。

20160921A02

图2:IP模块推动共用FPGA资源的分享,实现最高效的芯片利用率。

实现安全性的最佳选择是基于闪存FPGA器件,而不是基于SRAM的FPGA器件,原因在于它们在非易失性存储器中储存配置信息—比特流永远不会在启动时暴露。它们还具有单粒子翻转(SEU)免疫能力,SEU可以改变配置SRAM的内容。某些基于闪存的FPGA器件具有保护超连接工业IoT系统避免克隆、篡改和其它恶意攻击的关键存储能力,还可以用作信任根器件。为满足安全需求,这些FPGA器件具有物理反克隆等功能(physically unclonable function,PUF),其中公匙/私匙方案可以用于通过公匙基础设施(PKI)实施M2M认证。其它功能包括加密加速器、随机数字发生器、保护CPU/DSP内核的硬件防火墙头,以及差分功率分析(DPA)防御措施,这些功能合并起来,在整个系统中实施分层安全性以保护硬件和数据。

通过模块化方法简化设计

模块化和性能导向IP模块套件可以通过即插即用简单性来实施算法。设计可以轻易在多个平台迁移,以加快上市速度。所有IP模块均已在实际硬件上通过模拟测试, 以确保精密的转矩输出,并可轻易集成以创建任务专用模块。各个模块促进了共用FPGA资源的分享,以实现最高效的芯片利用率(图2)。

这款IP套件还包括所有基础构件,包括Clarke和Park转换、用于控制环路反馈的比例积分(PI)控制器,以及空间矢量PWM(SVPWM)。

灵活性和可扩展性

模块化IP套件还可以简化定制和扩展,以支持不同的多轴电机或高RPM解决方案的组合,同时满足不断演进的技术标准。IP模块越紧凑(比如整个套件小于10,000个逻辑组件),以便需要越多资源来支持集成需求。根据需求而定,在FPGA器件上运行的IP套件可以调节以驱动两个无刷直流(BLDC)/步进电机通道至六轴解决方案,或者扩展电机性能至超过70,000RPM。一个调节多轴FOC控制的方法,是在器件中各个FOC环路实行时分多工,使得每个电机可以单独控制,从而满足不同的参考速度和转矩需求。在FPGA架构中实施各种功能,腾出微处理器子系统用于运行通信协议堆栈,提供人机接口,或者其它任务。

电机的设计人员必需满足强制的能量要求, 同时确保系统能够调节和适应。基于闪存的SoC FPGA器件提供了吸引力日益增强的产品以替代DSP、MCU、ASIC 和ASSP器件,结合了必需的处理能力及硬件和软件可编程性,以及电路板选项,用于加速和智能分区功能。基于闪存的FPGA器件增添了固有的安全性,能够用作连接工厂中安全IoT通信的信任根。

(作者:高级工业营销经理Jason Chiang ,美高森美FPGA/SoC营销总监Ted Marena)

《电子技术设计》2016年9月刊版权所有,谢绝转载。

20160630000123