電動機總體上消耗了很大一部分的全球電力。市場研究機構IHS Technology指出，96%的電機壽命周期成本是純電力成本。監管機構為它們實施了更嚴格的能源標準。而且，製造商正在審查其在設備總體成本(TCO)中(zhong)所(suo)占(zhan)的(de)巨(ju)大(da)比(bi)率(lv)。這(zhe)帶(dai)來(lai)了(le)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)設(she)計(ji)，這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)使(shi)用(yong)基(ji)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)無(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)反(fan)饋(kui)回(hui)路(lu)和(he)先(xian)進(jin)的(de)算(suan)法(fa)，實(shi)現(xian)更(geng)精(jing)密(mi)的(de)控(kong)製(zhi)和(he)更(geng)高(gao)的(de)電(dian)機(ji)效(xiao)率(lv)。

 

電機設計人員還必需支持不斷變化的工業控製標準和技術，同時提供關鍵性係統功能以確保安全性
、可ke調tiao節jie性xing和he可ke靠kao性xing。要yao滿man足zu能neng效xiao和he係xi統tong級ji功gong能neng需xu求qiu增zeng強qiang的de雙shuang目mu標biao，需xu要yao充chong分fen的de算suan法fa處chu理li能neng力li和he靈ling活huo的de可ke調tiao節jie係xi統tong架jia構gou。基ji於yu閃shan存cun的de非fei易yi失shi性xing安an全quan低di功gong耗hao係xi統tong級ji芯xin片pian(SoC)FPGA器件通過提供必需的功率，同時結合固有和分級的安全性和可靠性，能夠同時應對這兩個挑戰，不但可保護物聯網(IoT)應用的通信，並且具有在各種多軸或高RPM應用中快速
、輕易地從小占位麵積轉換至功能豐富的定製電機設計的可調節性。

 

 

雖然傳統設計使用簡單的標量控製、高效電機在所有轉矩和速度範圍使用磁場定向控製(FOC)，以顯著提升效率。由於采用電流控製，FOC還(hai)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)來(lai)優(you)化(hua)功(gong)率(lv)逆(ni)變(bian)器(qi)電(dian)路(lu)和(he)電(dian)機(ji)占(zhan)位(wei)麵(mian)積(ji)。它(ta)使(shi)用(yong)反(fan)饋(kui)回(hui)路(lu)
，帶(dai)有(you)或(huo)不(bu)帶(dai)有(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)，以(yi)及(ji)複(fu)雜(za)算(suan)法(fa)來(lai)調(tiao)整(zheng)關(guan)鍵(jian)的(de)電(dian)機(ji)動(dong)作(zuo)參(can)數(shu)
，包(bao)括(kuo)速(su)度(du)、位置或角度、轉矩、電流及通量。傳統上，單軸或雙軸設計利用微控製器(MCU)和DSP處(chu)理(li)算(suan)法(fa)，但(dan)其(qi)處(chu)理(li)能(neng)力(li)無(wu)法(fa)跟(gen)上(shang)日(ri)益(yi)增(zeng)長(chang)的(de)多(duo)軸(zhou)或(huo)高(gao)旋(xuan)轉(zhuan)電(dian)機(ji)性(xing)能(neng)需(xu)求(qiu)。此(ci)外(wai)，現(xian)時(shi)的(de)情(qing)況(kuang)日(ri)趨(qu)複(fu)雜(za)，因(yin)為(wei)除(chu)了(le)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)的(de)效(xiao)率(lv)外(wai)，我(wo)們(men)很(hen)多(duo)時(shi)候(hou)還(hai)要(yao)關(guan)注(zhu)其(qi)他(ta)問(wen)題(ti)
，尤(you)其(qi)是(shi)聯(lian)網(wang)的(de)工(gong)廠(chang)，現(xian)今(jin)的(de)物(wu)聯(lian)網(wang)(IoT)環境對於安全通信帶來了重要的要求—這是基於閃存的FPGA架構適宜處理的挑戰。

 

圖1：可以用於電機控製和監控功能
，基於閃存的SoC FPGA架構示例。

 

在電機控製設計的功率電子方麵，存在著從絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件轉向碳化矽(SiC)功率MOSFET器件的遷移，SiC解決方案提供更高的帶隙以提升冷卻性能(因而可以使用較小、較廉價的散熱片)、更好的熱傳導性以提高功率密度，以及更高的開關頻率(超過100kHz)
，因而可以在逆變器級使用更小的磁件，有助於降低客戶的TCO。

 

在控製端，DSP和MCU器件在較高開關頻率場合的表現不佳，某些DSP可以優化幾個用於高頻開關的通道，但是，它們仍然缺乏快速適應需求變化， 以及增添更多脈寬調製(PWM)通道來控製功率電子級(事實上，這通常卸載至FPGA器件)的能力。ASIC和ASSP器件具有相同的靈活性和擴展性難題。

 

基於閃存的FPGA器件提供比基於MCU/DSP解決方案的更高性能，用於高速、低遲滯算法處理

，同時集成附加的係統功能以進一步提升TCO。設計人員能夠使用基於閃存的FPGA來調節至更高的開關頻率和更多的PWM通道
，以匹配功率電子裝置

，從而支持超越MCU/DSP的功能。

 

圖1所示為帶有ARM Cortex-M3微控製器的基於閃存SoC FPGA器件
，可以用於電機控製和監控功能。這個FPGA用於電機控製功能的硬件加速
，以提升性能和設計靈活性。電機控製算法可以運行在FPGA器件，以實現更快速的並行處理，它具有智能分區，以確保微控製器子係統中的所有通信協議處理都不會影響到在FPGA器件內運行的電機控製算法計算。

 

即插即用IP模塊化套件，經定製實施所有必需的數學電機模型，完善了今天的FPGA解決方案。開發人員可以確定哪一個IP模塊用於FPGA架(jia)構(gou)中(zhong)的(de)硬(ying)件(jian)加(jia)速(su)，從(cong)而(er)能(neng)夠(gou)應(ying)對(dui)全(quan)係(xi)列(lie)算(suan)法(fa)處(chu)理(li)挑(tiao)戰(zhan)。這(zhe)些(xie)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)確(que)保(bao)低(di)功(gong)耗(hao)運(yun)作(zuo)，同(tong)時(shi)推(tui)動(dong)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)優(you)化(hua)其(qi)係(xi)統(tong)以(yi)使(shi)用(yong)加(jia)快(kuai)上(shang)市(shi)速(su)度(du)的(de)簡(jian)化(hua)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)，同(tong)時(shi)提(ti)供(gong)滿(man)足(zu)不(bu)斷(duan)演(yan)進(jin)之(zhi)需(xu)求(qiu)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)可(ke)擴(kuo)展(zhan)性(xing)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)、高安全性和保密功能。

 

 

用於電機控製設計的FPGA器件必需同時減小靜態功率和總體功率，特別是在高頻率和高溫下。與必需在上電期間從外部ROM進行配置的使用六個晶體管的SRAM單元的FPGA相比，具有內置單晶體管閃存單元的FPGA更具有優勢。基於閃存的最新FPGA解決方案還使用了全麵的方法來最大限度地降低功耗， 包括工藝技術
、架構和可配置邏輯設計， 以及嵌入式功能，包括增強的M3 MCU、5G SERDES、DDR2/3、TSE、DSP模塊， 以及專用功率模式。與基於SRAM的FPGA解決方案相比，這種方法可降低50%總體功率和降低10%靜態功率。

 

 

正常情況下，在實施確定性定時很重要的電機控製和網絡功率方麵

，FPGA器件更為可靠。微控製器的定時變化可能高達數毫秒，而FPGA器件的定時變化則少於數納秒。

 

圖2：IP模塊推動共用FPGA資源的分享
，實現最高效的芯片利用率。

 

實現安全性的最佳選擇是基於閃存FPGA器件

，而不是基於SRAM的FPGA器件
，原因在於它們在非易失性存儲器中儲存配置信息—比特流永遠不會在啟動時暴露。它們還具有單粒子翻轉(SEU)免疫能力


，SEU可以改變配置SRAM的內容。某些基於閃存的FPGA器件具有保護超連接工業IoT係統避免克隆、篡改和其它惡意攻擊的關鍵存儲能力
，還可以用作信任根器件。為滿足安全需求，這些FPGA器件具有物理反克隆等功能(physically unclonable function,PUF)，其中公匙/私匙方案可以用於通過公匙基礎設施(PKI)實施M2M認證。其它功能包括加密加速器
、隨機數字發生器
、保護CPU/DSP內核的硬件防火牆頭
，以及差分功率分析(DPA)防禦措施，這些功能合並起來，在整個係統中實施分層安全性以保護硬件和數據。

 

 

模塊化和性能導向IP模塊套件可以通過即插即用簡單性來實施算法。設計可以輕易在多個平台遷移，以加快上市速度。所有IP模塊均已在實際硬件上通過模擬測試
， 以確保精密的轉矩輸出
，並可輕易集成以創建任務專用模塊。各個模塊促進了共用FPGA資源的分享，以實現最高效的芯片利用率(圖2)。

 

這款IP套件還包括所有基礎構件
，包括Clarke和Park轉換、用於控製環路反饋的比例積分(PI)控製器，以及空間矢量PWM(SVPWM)。

 

靈活性和可擴展性

 

模塊化IP套件還可以簡化定製和擴展，以支持不同的多軸電機或高RPM解決方案的組合，同時滿足不斷演進的技術標準。IP模塊越緊湊(比如整個套件小於10,000個邏輯組件)，以便需要越多資源來支持集成需求。根據需求而定，在FPGA器件上運行的IP套件可以調節以驅動兩個無刷直流(BLDC)/步進電機通道至六軸解決方案
，或者擴展電機性能至超過70,000RPM。一個調節多軸FOC控製的方法，是在器件中各個FOC環路實行時分多工，使得每個電機可以單獨控製，從而滿足不同的參考速度和轉矩需求。在FPGA架構中實施各種功能，騰出微處理器子係統用於運行通信協議堆棧，提供人機接口，或者其它任務。

 

電機的設計人員必需滿足強製的能量要求， 同時確保係統能夠調節和適應。基於閃存的SoC FPGA器件提供了吸引力日益增強的產品以替代DSP、MCU、ASIC 和ASSP器件，結合了必需的處理能力及硬件和軟件可編程性，以及電路板選項，用於加速和智能分區功能。基於閃存的FPGA器件增添了固有的安全性，能夠用作連接工廠中安全IoT通信的信任根。