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如何设计基于SoCFPGA的工业和马达控制方案？ 工业系统通常由微掌握器和FPGA器件等组成，美高森美(Microsemi )基于 SmartFusion2 SoC FPGA的马达掌握解决方案是使用高集成度器件为工业设计带来更多优势的一个范例本白皮书重点探讨用于工业系统的SmartFusion2系列器件的特性，以及这款器件在TCO(总体拥有成本)概念上比传统架构好的方面 工业市场的进展始终在推动对高集成度的高性能、低功耗FPGA器件的需求，设计人员对网络通信的偏好超过点对点通信，这意味着通信应用可能需要额外的掌握器，间接地增大了材料清单(BOM)成本、电路板尺寸，以及相关的性工程(NRE)费用TCO是用于分析和评估的生命周期成本的概念，它是与设计相关的全部直接和间接成本的扩展这些成本包括工程成本、安装和维护成本、BOM、NRE (RD)成本及其它，也可能通过考虑系统级因素来实现TCO化，从而带来可持续的长期赢利力量 美高森美供应具有ARM Cortex-M3微掌握器硬核、IP集成，以及成本优化封装，并且具有更小BOM清单和电路板尺寸的SmartFusion2 SoC FPGA器件。

凭借低功耗特性和宽工作温度范围，这些器件能够在极端条件下牢靠工作，且无需风扇冷却通过集成ARM Cortex-M3 IP 和 FPGA fabric，还可以实现更高的设计敏捷性和更快的上市速度美高森美能够供应多轴马达掌握的多种参考设计和IP生态系统，用于开发马达掌握算法，从而简化从多处理器解决方案向单一器件解决方案，即向SoC FPGA器件的转变 TCO影响因素 以下是影响系统TCO的一些因素 1. 长生命周期 FPGA器件可以重新编程，即使部署在现场中也不例外，这样可以延长产品生命周期，允许设计人员集中精力以更快的速度开发新产品 2. BOM 美高森美基于flash 的FPGA器件无需导引PROM或flash MCU在FPGA上电时载入数据，它们是零级(level zero)非易失性/即时开启器件与基于SRAM的FPGA器件不同，由于flash开关不会发生电压下降(brown out)，美高森美基于flash的FPGA器件无需额外的上电监控器 3. 上市时间 OEM厂商之间的激烈竞争要求设计具有更多的产品差异化和更快的上市速度，供应多款经过测试的IP模块可以大幅削减设计时间。

市场已有多款构建工业解决方案所需的IP模块，同时，还有多款IP模块正在开发之中SoC方案供应的另一项独特优势是调试FPGA设计，为了调试FPGA设计，可经由高速接口，利用微掌握器子系统(MSS)来提取FPGA器件中的信息 4. 工程工具成本 一般都认为FPGA工具特别昂贵，美高森美供应具有金(gold)许可授权的Libero系统级芯片(SoC)或集成开发环境(IDE)，仅在开发高端设备时需要付费的许可授权 工业驱动系统 工业驱动系统包括一个马达掌握组件和一个通信组件，马达掌握组件包括驱动逆变器规律和爱护规律通信组件则实现监控掌握，负责实施运行时间参数的初始化和修改 在典型驱动应用中，可能使用多个掌握器器件来实施驱动规律一个器件可能执行与马达掌握算法相关的计算，其次个器件可能工作与通信相关的任务，第三个器件可能运行与平安相关的任务 图1： 工业驱动系统 多轴马达掌握 传统上的工业马达掌握采纳微掌握器或数字信号处理(DSP)器件来运行马达掌握所需要的简单算法在大多数传统的工业驱动中，FPGA器件与微掌握器或DSP一起用于数据采集和快速动作爱护除去数据采集、脉宽调制(PWM)生成和爱护规律，传统上，FPGA器并未在实施马达掌握算法方面发挥着重要作用。

这种方法使用微掌握器或DSP来实施马达掌握算法，并不简单扩展至掌握超过一个在独立速率下(多轴马达掌握)运行的马达，美高森美SmartFusion2器件能够使用单一器件来实施完整的集成式多轴马达驱动掌握 掌握方面可以分为两个部分，一部分是与运行磁场定向掌握(FOC)算法、速度掌握、电流掌握、速度估算、位置估算，以及PWM生成相关，另一部件则包括速度曲线、负载特性、过程掌握，以及爱护(故障和警报)执行FOC算法是时间关键的任务，并且要求在极高的采样速率下实施(在微秒范围内)，尤其是具有低定子电感的高速马达，这就需要在FPGA器件中实施FOC算法过程掌握、速度曲线，以及其它爱护无需快速更新，因而，可以在较低的采样速率下进行(在毫秒范围内)，并且能够在内置Cortex-M3处理器中进行编程 晶体管开关周期在驱动中发挥着重要作用，假如FOC 回路执行时间比开关阶段缩短许多，可将硬件模块重用于计算其次个马达的电压，这意味着在相同的成本下器件的性能更好 图 2： 基于SmarFusion2 FPGA器件的马达掌握 马达掌握IP模块 PI掌握器 比例积分(PI)掌握器是用于掌握系统参数的反馈机制，PI掌握器具有两个可调整的增益参数，用于掌握掌握器的动态响应——比例增益常数和积分增益常数。

PI掌握器的比例重量是比例增益常数和误差输入的乘积，而积分重量则是累积误差和积分增益常数的乘积而后，这两个重量相加PI掌握器的积分阶段会导致系统不稳定，这是由于数据值不行掌握的增加这种不行掌握的数据增加称为卷积(wind-up)，全部PI掌握器实施方案包括一个抗卷积 (anti-windup)机制，用于确保掌握器输出是有限的美高森美PI掌握器IP模块使用保持饱和(hold-on-saturation)算法来实现抗卷积，这个模块还供应设置初始输出值的附加特性 图3所示为无刷FOC算法框图，这些模块作为IP core以供使用，本节将会逐一对他们绽开争论 图3： 永磁同步马达FOC算法框图 5Word版本。