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使用SoCFPGA进行工业设计和电机控制

行业资讯 / 2021-10-10 00:03

本文摘要:在工业系统中自由选择器件必须考虑到多个因素,其中还包括:性能、工程更改的成本、上市时间、人员的技能、器重现有IP/程序库的可能性、现场升级的成本,以及低功耗和低成本。 工业市场的近期发展推展了对具备高集成度、高性能、低功耗FPGA器件的市场需求。设计人员更喜欢网络通信而不是点对点通信,这意味著有可能必须额外的控制器用作通信,进而间接减少了BOM成本、电路板尺寸和涉及NRE(重复使用工程费用)成本。

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在工业系统中自由选择器件必须考虑到多个因素,其中还包括:性能、工程更改的成本、上市时间、人员的技能、器重现有IP/程序库的可能性、现场升级的成本,以及低功耗和低成本。  工业市场的近期发展推展了对具备高集成度、高性能、低功耗FPGA器件的市场需求。设计人员更喜欢网络通信而不是点对点通信,这意味著有可能必须额外的控制器用作通信,进而间接减少了BOM成本、电路板尺寸和涉及NRE(重复使用工程费用)成本。

  总体享有成本用作分析和估算购买的寿命周期成本,它是所有与设计涉及的必要和间接成本的拓展集,还包括工程技术成本、加装和确保成本、材料表格(BOM)成本和NRE(研发)成本等。通过考虑到系统级因素有可能最大限度地增加总体享有成本,从而带给可持续的长年盈利能力。

  美高森美公司(Microsemi)获取具备硬核ARMCortex-M3微控制器和IP构建的SmartFusion2SoCFPGA器件,它使用成本优化的PCB,具备增加BOM和电路板尺寸的特性。这些器件具备低功耗和长温度范围,需要在没加热风扇的极端条件下可信地运营。SmartFusion2SoCFPGA架构将一个硬核ARMCortex-M3IP与FPGA架构互为构建,可以构建更大的设计灵活性和更加慢的上市时间。

美高森美为电机控制算法研发获取了具备多个多轴电机掌控参照设计和IP的生态系统,使由多处理器解决方案改向单一器件解决方案(即SoCFPGA)更为更容易。  影响TCO的因素  以下是影响系统TCO的一些因素。  (1)长寿命周期。

FPGA可以在现场部署之后展开新的编程,这缩短了产品的寿命周期,从而使设计人员需要专心于新产品研发,构建更慢的上市时间。  (2)BOM。美高森美基于存储器技术的FPGA在上电时需要启动PROM或存储器MCU来读取FPGA,它们是零级非易失性/即时启动器件。

与基于SRAM的FPGA器件有所不同,美高森美基于存储器的FPGA需要可选上电监控器,这是因为存储器电源会随电压而转变。  (3)上市时间。OEM厂商之间的白热化竞争迫切需要更好的产品差异化和更加慢的上市时间。经过检验的IP模块可大幅度延长设计时间。

目前早已可以获取多个建构工业解决方案所需的IP模块,同时更好的模块正在研发中。SoC展现出出有的另一个独有优势是可以用作调试FPGA设计。为了调试FPGA设计,可以通过用作调试的高速接口,利用微控制器子系统从FPGA中萃取信息。

  (4)工程工具成本。与FPGA开发工具便宜的概念忽略,美高森美获取用作FPGA研发的免费LiberoSoCIDE,仅有在研发高端器件时才必须收费。  工业驱动系统  工业驱动系统由一个电机掌控器件和一个通信器件包含,电机掌控器件包括了驱动逆变器的逻辑和维护逻辑,通信器件则使监控掌控需要对运行时间参数展开初始化和改动。

  图1:典型工业驱动系统。  在典型的驱动系统(图1)中,有可能用于多个控制器器件来构建驱动逻辑。一个器件有可能继续执行与电机控制算法涉及的计算出来,第二个器件有可能运营与通信涉及的任务,第三个器件则有可能运营与安全性涉及的任务。

  多轴电机掌控  传统上,工业电机掌控应用于用于微控制器或DSP来运营电机掌控所需的简单算法,在大多数传统的工业驱动中,FPGA与微控制器或DSP一起用于,用作数据采集和较慢起到维护。除了数据采集、PWM分解和维护逻辑,FPGA传统上未在构建电机控制算法方面充分发挥主要起到。  用于微控制器或DSP构建电机控制算法的方法并不更容易扩展到多个以独立国家速度运营的电机(多轴电机掌控),美高森美SmartFusion2SoCFPGA可以用于单一器件来构建构建且原始的多轴电机驱动掌控(图2)。

  图2:美高森美SmartFusion2SoCFPGA用于单一器件来构建原始的多轴电机驱动掌控。  掌控方面可以分成两个部分。

一个部分用作运营磁场定向掌控(FOC)算法、速度掌控、电流掌控、速度估算、方位估算和PWM分解;另一个部分则还包括速度曲线、阻抗特性、过程控制和维护(故障和报警)。继续执行FOC算法归属于时间关键型,必须在极高的取样速率下展开(在微秒范围),尤其是针对具备较低定子电感的高速电机。

这使得在FPGA中构建FOC算法显得更优越。过程控制、速度曲线和其他维护需要较慢改版,因而需要以较低的取样速率继续执行(在毫秒范围),并且需要在内置Cortex-M3子系统中展开编程。

  晶体管电源周期在驱动中充分发挥着最重要的起到,如果FOC电路继续执行时间比电源周期短得多,硬件模块可以轻用作计算出来第二个电机的电压。这意味著器件可以在完全相同的成本下获取更高的性能。  图3:永磁同步电机的磁场定向掌控(FOC)框图。


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