Actel戴梦麟:混合信号FPGA在工业电机控制的应用

由工业和信息化部指导，西安市科学技术局、西安市集成电路产业发展中心和中国电子报社主办，陕西省半导体行业协会、西安软件园发展中心和西安地区科技交流中心协办的2010年(第二届)中国FPGA产业发展论坛于8月31日在西安市隆重举行。本次论坛的主题是“可编程技术加速中国科技创新”，来自国内外数十家企业、高等院校和科研机构的200余名代表参加了本次论坛。

图为：Actel亚太区技术经理兼高级市场应用工程师戴梦麟演讲。

戴梦鳞：

各位嘉宾好，女士们、先生们，大家好!非常感谢大家今天能够来参与这个论坛，我很高兴代表公司来发表报告。

大家看到的SmartFusion的结构，第一代它组合了我们信号的模块，比如说模数和数模混合的这些模块，使得FPGA传统的数据领域里面以及一些不能接触到的领域里面都得到了广泛的应用。紫色的部分再加上MCU的功能，包括模拟信号的调整，包括一些数模转换。SmartFusion的应用可以多方面得到体现，比如说在工业驱动器制造商、过程控制、传感器网络这几个里面FPGA的一些特点就特别能够体现出来，因为这些应用特别每年一些微调的功能，还需要一些电机控制的功能，还有对精度和效率的要求也非常高。另外，工业控制里面也需要一些协议的需求，而且它能够提供给这些应用一个非常灵活的应用平台，除了这个以外，在电动汽车跟传统的空调里面也能够用到SmartFusion。

在FPGA、微处理器里面它整合到MPT里面了，另外在模拟部分，它有多达3个SAR型ADC，500K的采样率12位，10个比较器，5个电流监测器，5个电压监测器，共32个模拟输入，2个数模转换器。微控制器，可编程ProASIC3构造自定义控制算法，软件可以得到卸载。Cortex—M3 100MHz32bit，1.25DMipsMHz。SmartFusion在电机的控制，可针对更复杂的电机控制下的效率问题，SmartFusion的有点能直接解决电机控制开发者的挑战，已有电机控制专家预Actel合作利用SmartFusion。在高端的电机控制领域里面，对效率的追求是非常高的，在左方是一个电机控制的方块图，一般来说向大型处理器传输一些命令，通过一些工业网络接口把这些命令送到这个控制器。整个核心就是由Motor接入。SmartFusion可以解决这个部分的一些难度和挑战，比如说在IGBT的驱动里面。电机控制回路框图，包括PID，Park转化，然后SVPWM生成。通过FPGA的核心——逻辑核心，我们通过硬件加速正向的Park和反向的Park。在SmartFusion的FPGA里面，它里面的Cortex—M3和FPGA能够把整个工作分开，同时也可以进行一些后台的管理，比如说对CAN、USB、计时、日志等等进行处理，同时也可以进行空间矢量的PWM生成。另外，模拟部分会进行ADC采样与管理，唯一的区别就是FPGA逻辑，其实它除了能够对模拟输入进行比较，对PID的算法，对PWM的输出。目的就是为了大大提高整体的性能和效率，因为对一些复杂的电机，它可能要牵扯到多种的电机工作。它带来的效益包括成本方面，它能够降低成本，因为它能够整合各个不同的功能，上市时间加快了，因为它简化了整体的电路设计。精确度、准确度也提高了，对于一些多轴的它的优势就能够体现出来。效率，也可以通过磁场定向控制与AFPC而增加效率。另外一方面，由于它自带的一些通讯接口，所以在一些网络里面它可以很好地实现通讯的接口。另外，还有一些自定义的算法，通过灵活的软件或FPGA的分工，能够体现客户各种各样的算法，来体现客户的特点。多轴，在没有速度的损失情况下并行处理。但是如果通过SmartFusion的硬件加速，工作量能够分担下来的话，就可以同时实现两种，并且没有项目上的损失。

在通过SmartFusion来进行电机控制，在时域里面优化电机控制，比方说电流的传感跟PWM的生成，它们响应的时间是纳秒级的。另外，对于功率的管理，也可以通过FPGA和逻辑来实现。所以，不同环节的响应时间有不同的模块对应来处理。在电机控制的领域里面，除了电机本身的控制，还牵扯到网络，比如说在工业网络里面，除了马达跟运动控制以外，还牵扯到工业的走向标准。所以SmartFusion不光是对电机控制本身，也包括整个电机控制网络里面的一个。刚才提到过，我们在国外已经有一些电机控制的专家和企业跟我们合作，利用SmartFusion来构造他们的产品和一些参考设计。其中有一家叫PCD，它是业界领先的电机控制厂家，它为我们做了几个参考设计，它是利用SmartFusion电机控制解决方案和开发工具套件来提供给他们的客户和我们的客户，很方便的一个套件。如果大家有兴趣的话，可以了解一下他们的产品跟我们合作的方案。另外，还有一家叫TRINAMIC公司，它是业界领先的嵌入式运动控制系统，具有悠久的使用Actel Flash FPGA历史的客户，曾参与SmartFusion独家客户领域计划，成为Actel的合作伙伴之一。PCD这家公司也有一个开发的套件，就是单电机套件和四电机套件。PCD这家公司提供了五个不同的参考方案，整个套装包括了一个电机控制的硬件，就是刚才大家看到的一个PC板，这个板上可以安装1个或4个永磁同步电机，单轴版本包括1个永磁同步电机。另外五个参考设计，它包括了几个电机控制方案，利用磁场定向控制FOC技术，包括示范电机控制的硬件跟软件分割，源代码和参数化模块，免费提供给客户。PC端的图形用户界面软件控制电机：通过PC管理和控制电机，绘制速度/电压/电流图。在电机控制方面我们有几个阶段性的计划，首先就是通过提供SF—MCDK这个套装，这个里面主要包括了A2F200电机控制开发工具套件支持永磁同步电动机，套件、PC软件演示工控市场的多轴电机控制，也包括了五个参考设计和设计模块。第二阶段，在今年下半年会推出，到时候会支持三相交流异步电动机，第三阶段2011年推出，支持直流步进电机，套件更新到A2F500器件。未来计划包括开发一些开馆模式的磁阻电动机。PCD考设计及设计模块有五个参考设计，包括了梯形带霍尔传感器，正弦带霍尔传感器，正弦带编码器反馈，梯形不带传感器。