基于SoC FPGA的工业和马达控制方案设计

FOC变换

磁场定向控制(FOC)是通过独立地确定和控制转矩和磁化电流分量来提供最佳马达电流的算法，在永磁同步马达(PMSM)中，转子已经磁化，因此，为马达提供的电流只用于转矩。FOC是计算密集算法，但是，美高森美马达控制参考设计已经针对器件资源的最优化而构建的，FOC算法包括Clarke、 Park、逆Clarke和逆Park变换。

位置和速度估算器

FOC需要精确的转子位置和速度作为输入，精确确定转子角度对于确保低功耗是必不可少的。增添确定位置和速度的物理传感器，导致系统的成本增加，并降低可靠性。无传感器算法有助于省去传感器，但是增加了计算复杂性。

PLL

锁相环(PLL)用于同步信号，PLL在很多应用中有使用，比如角度估算和逆变器的网格同步。

速率限制器

速率限制器模块可以实现系统变量或输入的平滑改变。例如，在马达控制系统中，如果马达所需的速度出现突变，系统可能变得不稳定。为了避免此类现象，速率限制器模块用于从初始速度转变到所需的速度。速率限制器模块可以进行配置以控制速率的改变。

空间矢量调制

空间矢量调制模块提升了DC总线利用率，并且消除了晶体管开关的短脉冲。与使用正弦PWM相比，可将DC总线利用率提升15%。

三相 PWM 生成

在所有计算的最后，可以得到三相马达电压。这些电压用于生成逆变器中晶体管的开关信号，PWM模块为六个(三个高侧和三个低侧)晶体管产生开关信号，并且具有死区时间和延迟时间插入等先进特性。可编程的死区时间插入特性有助于避免逆变器引脚上的灾难性短路情况，这种情况是由于晶体管的关断时间而发生的。可编程的延迟插入特性使ADC测量与PWM信号生成能够同步。该模块可以配置成与仅由N-MOSFET组成的逆变器或同时由N-MOSFET和P- MOSFET组成的逆变器一起工作。

在 SoC中调试 FPGA设计

通常，与在FPGA器件上进行调试相比，在微控制器上调试设计相对比较容易。在SoC中，可以利用FPGA器件的高性能，同时保持在微控制器中更快速调试的优势。美高森美SmartFusion2SoC FPGA中的微控制器子系统和FPGA架构可以通过AMBA APB or AXI总线相互通信。这样可以把测试数据注入FPGA架构中，或者从FPGA架构中记录调试数据，从而帮助实现运行时间的内部数据可视化，用于实时调试。固件代码可以按步运行，在代码中可以设置断点来分析FPGA寄存器数据。

基于 SmartFusion2 SoC FPGA的多轴马达控制解决方案通过USB连接至主机PC，并且与图形用户界面(GUI)通信，进行启动和停止马达，设置马达速度数值和其它系统参数，并且可表示多达四个系统变量，比如马达速度、马达电流和转子角度。

图4： GUI屏幕快照 – 图解内部参数：转子角度(绿色)， Valpha (红色)， Vbeta (黑色)， 马达速度(蓝色)

生态系统

美高森美提供丰富的IP库，包括先前章节讨论的实现多项马达控制功能的IP模块。这些模块可以轻易进行定制，并且可以在美高森美FPGA器件之间进行移植。使用Libero SoC软件中的SmartDesign工具，用户可以通过图形形式配置和相互连接这些模块。借助这些IP模块，设计人员能够显着减少在FPGA器件中实施马达控制算法所需的时间。

这些IP模块在速度高达30，000 RPM和开关频率高达400kHz的运行马达中进行了测试。

工业通信协议

工业网络的发展趋势是使用网络来替代点至点通信，从而实现更快的通信速度。实施此类高速通信需要更高的带宽支持，这对于微控制器或DSP同时处理马达控制算法并不容易。在许多案例中，需要使用一个附加的微控制器或FPGA来处理各个马达控制器之间的通信。通常使用的以太网协议是Profinet、 EtherNet/IP和EtherCAT标准，这些标准仍然在不断演进。其它协议包括CAN和Modbus。在这种情况下使用SoC方案的优势是在单一 FPGA平台上支持多种工业以太网协议标准。

根据最终系统目标，有可能通过重用IP和协议堆栈(用于通信)来优化系统的成本，或者通过在硬件(FPGA)和软件(ARM Cortex-M3处理器)中仔细划分功能来优化性能。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件具有内置CAN、高速USB、以及一个千兆以太网模块，这是MSS的一部分。高速SERDES模块用于实施涉及串行数据传输的协议。

安全性

美高森美SmartFusion2 SoC FPGA器件能够提供多项设计和数据安全功能，差分功率分析(DPA)认证反篡改保护和加密等设计安全功能可帮助保护用户的IP。SoC FPGA器件还包括多项数据安全特性，比如纠错编码(ECC)硬件加速器、AES-128/256，以及SHA-256服务。针对于数据安全性，提供 EnforcIT IP Suite和CodeSEAL软件安全构件。EnforcIT IP套件包括一套可定制内核(作为网表)，有效地移动安全层面至硬件中。CodeSEAL将对策措施注入固件中，并且能够独立使用，或者作为 EnforcIT升级。实施协议的灵活性允许设计人员使用多个安全层来认证来自中央监控控制器的信息。

可靠性

在多个市场中安全标准的发展推动了高可靠性需求，SmartFusion2 FPGA器件经设计满足高可用性、安全关键性和任务关键性系统需求。以下是SmartFusion2SoC FPGA器件提供的某些可靠性特性。

SEU免疫能力零FIT率配置

高可靠性工作需要单粒子翻转(SEU)免疫能力零(FIT)率的FPGA配置，由于采用Flash来配置路由矩阵和逻辑模块中的晶体管，SmartFusion2架构对于alpha或中子辐射具有免疫能力。基于SRAM FPGA器件在海平面的FIT率为1k至4k，在海平面之上5000英尺则高出很多。高可靠性应用可接受的FIT率低于20，这使得 SmartFusion2最适合于这些应用。

EDAC保护

SmartFusion2 FPGA器件具有错误检测与校正(EDAC)控制器， SEU错误日益普遍，即使在地平面也不例外， 使用该特性，可保证在MSS存储器上防止SEU错误。

无需外部配置器件

在具有大量FPGA器件的复杂系统中，使用外部配置器件会降低可靠性。在上电时，FPGA花费时间进行配置，这在使用多个FPGA器件的应用中带来了设计复杂性。SmartFusion2SoC FPGA在器件内部包括了配置存储器，这具有上电即可运行的额外优势。