集成FPGA设计流程优化电机控制设计

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作为一种优秀的设计流程，集成FPGA在电机控制设计中利用了Altera FPGA强大的适应能力、精度可调DSP以及集成系统设计工具。工业电机驱动设备的设计人员可以充分发挥这一设计流程的性能、集成和效率优势。

　　高效灵活功能强大

　　在工业能耗中，2/3以上的能耗来自工业电机驱动设备，因此，在工厂费用开支中，高效的电气特性是非常重要的。在电机驱动系统中采用速率可变驱动器(VSD)来替代传统的驱动器能够显著提高效率，能耗节省了近40%。Altera的FPGA体系结构具有灵活性,以及性能、集成和设计流程优势，是VSD系统的高效平台：

　　调整性能通过并行处理以及灵活的功能进一步提高各种类型电机的性能和效率。

　　设计集成在一片器件中集成嵌入式处理器、编码器接口、DSP运动控制算法以及工业网络。

　　灵活的设计重新使用IP，采用精度可调DSP模块。在控制通路的任意部分都可以实现定点或者浮点精度。

　　确定性延时在硬件中实现电机算法以及确定性操作。

　　功能强大而又流畅的工具使用Simulink等建模工具，结合Altera的DSPBuilder以及Qsys或者SOPC Builder通用集成工具，优化低成本FPGA中的全电机系统。

　　集成优势明显

　　很多商用MCU或DSP具有通用驱动工作基本单元。但是，这些器件存储器有限，模拟范围较窄，PWM通道数量有限，对多轴系统的支持不足。

　　而FPGA很容易根据应用需求来调整性能。设计人员可以在FPGA中嵌入多个处理器或者使用灵活的DSP功能，然后，采用其他的逻辑、定制指令或者所支持的多种工业网络协议。设计人员利用Altera FPGA可以实现多种嵌入式处理器，分别控制每一个子系统。Altera FPGA的并行特性还支持电机控制系统构建模块的集成。

　　各种驱动技术的差别很大，具体取决于电机类型及其应用。例如，常用的永磁体同步电机(PMSM)使用需要大量数学算法的现场定位控制(FOC)功能作为控制环算法的一部分，该功能也称为矢量控制。但是，这一数学模型非常复杂，高速运行这一算法时需要很强的计算能力。

　　Altera FPGA提供业界的第一款精度可调DSP模块，能够灵活地选择满足要求的精度级，而且还支持单精度和双精度浮点类型。这些因素使得DSP模块成为实现FOC控制环和其他复杂数学算法的理想选择。

　　Altera为嵌入式工业设计人员提供功能强大而且使用方便的开发工具，例如，Quartus II设计软件和MegaCore IP库。Altera还提供系统集成工具，例如Qsys或者SOPC Builder实现面向任务的操作，以及DSP Builder来优化DSP。此外，Altera提供基于Eclipse的Nios II嵌入式设计套装(EDS)，更方便地通过设计流程来完善FPGA硬件。

　　折叠理论提高了性能。折叠理论与时分复用(TDM)密切相关，能够大幅度提高DSP电机控制设计的性能。默认情况下，DSP Builder为基本子系统生成的硬件能够在每个时钟周期接收并处理新数据。但是，某些设计人员可能不需要每个时钟周期都进行计算。对于采样速率低于时钟速率的设计，DSP Builder高级模块库的折叠功能可以利用这种速率差来优化使用所生成的硬件。设计人员能够以最直观的方式来实现内核算法，看起来好像没有折叠或者TDM因子。采用折叠理论，不需要采用信号复用和数据缓冲方法，这是在手动折叠设计中通常需要的方法。

　　为展示上面介绍的各种特性和功能的优点，Altera开发了一个基准测试练习，以仿真FOC算法，对比标准“非折叠”和“折叠”实现的结果。FOC算法包括Park/Clarke变换以及PI控制模块，它需要加法、减法、乘法、Sin、Cos算子以及某些常数和饱和逻辑。在一个典型的FOC控制器中，以10k～100ksps速率对输入进行采样，100MHz FPGA时钟速率很容易达到这一速率要求。在100ksps时，每10us必须处理一个新采样。将这一处理延时常数保持在最小值，有利于提高控制算法的性能。

　　提供最佳设计方法

　　在下一代电机控制系统中，对目前的现代MCU和DSP性能要求越来越高。设计人员要求能够灵活地调整电机控制算法，以降低成本和功耗。商用DSP解决方案的定点和浮点能力有限，不能适应驱动系统所需其他组件的要求。

　　相反，Altera FPGA支持组件集成，例如，能够管理所有操作的处理器，灵活方便地连接定制子系统，优化设计流程，从而简化复杂并行电机控制环和算法。电机系统结合了各种快速控制环、定时输出脉冲频率以及所需的多传感器接口和滤波功能。

　　Altera FPGA内置了并行处理功能，提供高性能精度可调DSP模块，从而解决了电机控制系统遇到的难题，为其提供最优解决方案。

　　除了这些内在的FPGA优势，Altera还提供最佳设计方法。在建模时使用TheMathworks Simulink/Matlab工具，Altera的DSP Builder对电机算法进行优化，

　　Qsys或者SOPC Builder实现系统集成，Quartus II软件用于综合设计和滤波，实现了全面的集成设计方法，从而能够处理最复杂的驱动系统。

平圆

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