電動機總體上消耗了很大一部分的全球電力,從而帶來了更復(fù)雜的電機控制設(shè)計，這些設(shè)計使用基于傳感器和無傳感器反饋回路和先進的算法，實現(xiàn)更精密的控制和更高的電機效率。

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(gòu)IHSTechnology指出，96%的電機壽命周期成本是純電力成本。監(jiān)管機構(gòu)為它們執(zhí)行了更嚴格的能源標準。而且，制造商正在審查其在設(shè)備總體成本(TCO)中所占的巨大比率。這帶來了更復(fù)雜的電機控制設(shè)計，這些設(shè)計使用基于傳感器和無傳感器反饋回路和先進的算法，實現(xiàn)更精密的控制和更高的電機效率。

電機設(shè)計人員還必需支持不斷變化的工業(yè)控制標準和技術(shù)，同時供應(yīng)關(guān)鍵性系統(tǒng)功能以確保安全性、可調(diào)節(jié)性和可靠性。要滿足能效和系統(tǒng)級功能需求增強的雙目標，要充分的算法處理能力和靈活的可調(diào)節(jié)系統(tǒng)架構(gòu)。基于閃存的非易失性安全低功耗系統(tǒng)級芯片(SoC)FPGA器件通過供應(yīng)必需的功率，同時結(jié)合固有和分級的安全性和可靠性，能夠同時應(yīng)對這兩個挑戰(zhàn)，不但可保護物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用的通信，并且具有在各種多軸或高RPM應(yīng)用中快速、輕易地從小占位面積轉(zhuǎn)換至功能豐富的定制電機設(shè)計的可調(diào)節(jié)性。

挑戰(zhàn)

雖然傳統(tǒng)設(shè)計使用簡單的標量控制、高效電機在所有轉(zhuǎn)矩和速度范圍使用磁場定向控制(FOC)，以顯著提升效率。由于采用電流控制，F(xiàn)OC還可以根據(jù)應(yīng)用需求來優(yōu)化功率逆變器電路和電機占位面積。它使用反饋回路，帶有或不帶有傳感器，以及復(fù)雜算法來調(diào)整關(guān)鍵的電機動作參數(shù)，包括速度、位置或角度、轉(zhuǎn)矩、電流及通量。傳統(tǒng)上，單軸或雙軸設(shè)計利用微控制器(MCU)和DSP處理算法，但其處理能力無法跟上日益上升的多軸或高旋轉(zhuǎn)電機性能需求。此外，現(xiàn)時的情況日趨復(fù)雜，因為除了電機控制的效率外，我們很多時候還要關(guān)注其他問題，尤其是聯(lián)網(wǎng)的廠，現(xiàn)今的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)環(huán)境關(guān)于安全通信帶來了重要的要求這是基于閃存的FPGA架構(gòu)適宜處理的挑戰(zhàn)。

圖1：可以用于電機控制和監(jiān)控功能，基于閃存的SoCFPGA架構(gòu)示例。

在電機控制設(shè)計的功率電子方面，存在著從絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件轉(zhuǎn)向碳化硅(SiC)功率MOSFET器件的遷移，SiC解決方案供應(yīng)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(guān)頻率(超過100kHz)，因而可以在逆變器級使用更小的磁件，有助于降低客戶的TCO。

在控制端，DSP和MCU器件在較高開關(guān)頻率場合的表現(xiàn)不佳，某些DSP可以優(yōu)化幾個用于高頻開關(guān)的通道，但是，它們?nèi)匀蝗狈焖龠m應(yīng)需求變化，以及增添更多脈寬調(diào)制(PWM)通道來控制功率電子級(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。

基于閃存的FPGA器件供應(yīng)比基于MCU/DSP解決方案的更高性能，用于高速、低遲滯算法處理，同時集成附加的系統(tǒng)功能以進一步提升TCO。設(shè)計人員能夠使用基于閃存的FPGA來調(diào)節(jié)至更高的開關(guān)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ARMCortex-M3微控制器的基于閃存SoCFPGA器件，可以用于電機控制和監(jiān)控功能。這個FPGA用于電機控制功能的硬件加速，以提升性能和設(shè)計靈活性。電機控制算法可以運行在FPGA器件，以實現(xiàn)更快速的并行處理，它具有智能分區(qū)，以確保微控制器子系統(tǒng)中的所有通信協(xié)議處理都不會影響到在FPGA器件內(nèi)運行的電機控制算法計算。

即插即用IP模塊化套件，經(jīng)定制執(zhí)行所有必需的數(shù)學電機模型，完善了今天的FPGA解決方案。開發(fā)人員可以確定哪一個IP模塊用于FPGA架構(gòu)中的硬件加速，從而能夠應(yīng)對全系列算法處理挑戰(zhàn)。這些解決方案確保低功耗運作，同時推動開發(fā)人員優(yōu)化其系統(tǒng)以使用加快上市速度的簡化設(shè)計過程，同時供應(yīng)滿足不斷演進之需求的靈活性和可擴展性，從而實現(xiàn)高可靠性、高安全性和保密功能。

低功耗運作

用于電機控制設(shè)計的FPGA器件必需同時減小靜態(tài)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(nèi)置單晶體管閃存單元的FPGA更具有優(yōu)勢。基于閃存的最新FPGA解決方案還使用了全面的方法來最大限度地降低功耗，包括工藝技術(shù)、架構(gòu)和可配置邏輯設(shè)計，以及嵌入式功能，包括增強的M3MCU、5GSERDES、DDR2/3、TSE、DSP模塊，以及專用功率模式。與基于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(tài)功率。

可靠性、安全性和保密性

正常情況下，在執(zhí)行確定性按時很重要的電機控制和網(wǎng)絡(luò)功率方面，F(xiàn)PGA器件更為可靠。微控制器的按時變化可能高達數(shù)毫秒，而FPGA器件的按時變化則少于數(shù)納秒。

圖2：IP模塊推動共用FPGA資源的分享，實現(xiàn)最高效的芯片利用率。

實現(xiàn)安全性的最佳選擇是基于閃存FPGA器件，而不是基于SRAM的FPGA器件，原因在于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(zhuǎn)(SEU)免疫能力，SEU可以改變配置SRAM的內(nèi)容。某些基于閃存的FPGA器件具有保護超連接工業(yè)IoT系統(tǒng)避免克隆、篡改和其它惡意攻擊的關(guān)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(physicallyunclonablefunction,PUF)，其中公匙/私匙方案可以用于通過公匙基礎(chǔ)設(shè)施(PKI)執(zhí)行M2M認證。其它功能包括加密加速器、隨機數(shù)字發(fā)生器、保護CPU/DSP內(nèi)核的硬件防火墻頭，以及差分功率分析(DPA)防御措施，這些功能合并起來，在整個系統(tǒng)中執(zhí)行分層安全性以保護硬件和數(shù)據(jù)。

通過模塊化方法簡化設(shè)計

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執(zhí)行算法。設(shè)計可以輕易在多個平臺遷移，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(zhuǎn)矩輸出，并可輕易集成以創(chuàng)建任務(wù)專用模塊。各個模塊促進了共用FPGA資源的分享，以實現(xiàn)最高效的芯片利用率(圖2)。

這款I(lǐng)P套件還包括所有基礎(chǔ)構(gòu)件，包括Clarke和Park轉(zhuǎn)換、用于控制環(huán)路反饋的比例積分(PI)控制器，以及空間矢量PWM(SVPWM)。

靈活性和可擴展性

模塊化IP套件還可以簡化定制和擴展，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(shù)標準。IP模塊越緊湊(比如整個套件小于10,000個邏輯組件)，以便要越多資源來支持集成需求。根據(jù)需求而定，在FPGA器件上運行的IP套件可以調(diào)節(jié)以驅(qū)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(diào)節(jié)多軸FOC控制的方法，是在器件中各個FOC環(huán)路實行時分多工，使得每個電機可以單獨控制，從而滿足不同的參考速度和轉(zhuǎn)矩需求。在FPGA架構(gòu)中執(zhí)行各種功能，騰出微處理器子系統(tǒng)用于運行通信協(xié)議堆棧，供應(yīng)人機接口，或者其它任務(wù)。

電機的設(shè)計人員必需滿足強制的能量要求，同時確保系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)和適應(yīng)。基于閃存的SoCFPGA器件供應(yīng)了吸引力日益增強的產(chǎn)品以替代DSP、MCU、ASIC和ASSP器件，結(jié)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，用于加速和智能分區(qū)功能。基于閃存的FPGA器件增添了固有的安全性，能夠用作連接廠中安全IoT通信的信任根。