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利用单芯片方案改善运动控制系统性能

利用单芯片方案改善运动控制系统性能 2011： 随着市场需求的日益严苛，运动控制系统也变得越来越复杂。对更高能效、更多功能、更小尺寸和更高集成度的要求不断增长，促使设计人员找寻更具创新性的解决方案。至今为止，市面上的解决方案都涉及在数字信号处理器或微控制器中执行的控制算法。不过，对于复杂电机控制算法(如磁场定向控制)，要获得所需的响应时间，常常需要硬件加速。此外，还需要模拟电路来读取传感器数据，确定位置和速度，检测故障，监控温度等等；而且需要数字线路来连接系统的其余部分。而利用分立器件实现的解决方案在可靠性、集成度和成本方面又不尽如人意。一直以来，设计人员都在寻找一种能够满足所有这些要求的单芯片解决方案，而现在，SmartFusion混合信号FPGA的推出终使设计人员的这一需求得到满足。在对更高能效、更小尺寸和额外属性(如平滑度和精度)等需求的推动之下，越来越多的应用开始采用同步电机，如无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)。为充分利用同步电机在效率、静音工作和精度方面的优势，设计人员需要找到能够超越简单8位/16位微控制器所提供的、更具创新性的控制解决方案。这些解决方案采用的微控制器可能需要利用FPGA、高性能数字信号处理器(DSP)或数字信号控制器(DSC)等专用处理器来实现硬件加速。为了准确地控制电机，控制器必须从传感器采集电机数据，基于反馈计算下一个命令，并根据计算结果控制电源。此外，任何运动控制系统都必须处理一些额外负载，例如与其它系统的通信。促使控制功能日益复杂的市场压力同样也在推动对单芯片运动控制解决方案的需求。美高森美(Microsemi)公司推出的SmartFusion正是能够满足这一需求的单芯片器件，它集成了一个ARM Cortex-M3微控制器内核、高性能FPGA结构和可配置模拟资源，可实现业界首款单芯片运动控制解决方案。运动控制的发展方向在客户需求和规范要求的双重推动之下，提高运动控制的性能成为工业、医疗和消费电子领域众多设计团队的首要目标。这些设计团队逐渐认识到，更先进完善的电机控制方案有助于大幅提高电机在转矩、速度、马力和效率等方面的性能。对于众多要求不高的应用，简单的控制体系仍然足以敷用，但对开发更复杂先进产品的设计团队来说，却面临着必须采用先进的算法来控制PMSM和交流电机的挑战。这些具挑战性的电机控制算法常常本身就十分复杂，并需要硬件执行，以减少计算时间，缩短响应时间。此外，必须同时结合模拟和数字领域的反馈，才能准确评估出当前电机状态。这样的设计通常是多轴的，需要同时控制好几个电机，以驱动三维空间定义的机械系统(如机械手)。事实已证明，要实现这种程度的实时控制，其实已超出了任何单个现有器件的能力范围。例如，PMSM(有时被称为无刷交流电机)就带来了一个复杂的控制问题。一般而言，使用PMSM的设计人员瞄准的目标都是超高水平的转矩控制、平滑运动、精度、效率等。不过，以实现这些特性的方式来控制PMSM是一项复杂的任务。PMSM不同于其同类产品(如梯形换向无刷直流电机)，它的控制器必须执行复杂的正弦换向算法才能实现这些出色的特性。而SmartFusion的面世使得这种解决方案成为可能。SmartFusion器件美高森美公司的SmartFusion器件整合了下一代运动控制系统设计人员所要求的三大要素：高性能微控制器、高密度FPGA架构以及可编程模拟资源，所有这些都集成在单个封装中，从而使得设计人员能够同时获得高集成度和低成本的优势。1.处理器内核SmartFusion器件(图1)的核心是一个嵌入式ARM Cortex-M3处理器内核。M3是全球最流行的32位处理器之一，它的嵌入标志着32位处理器与FPGA架构的第一次结合。除了支持实时操作系统(RTOS)运行的存储保护单元(MPU)之外，该内核还包含有一个嵌套向量中断控制器(NVIC)，它能够处理151个带有32个优先级的离散的中断。这个32位RISC处理器具有单周期乘法器和硬件除法器，能够提供大约125DMIPS的性能。

图1：SmartFusion的模块示意图

Cortex-M3内核周围是许多集成式外设：SPI、I2C、UART串行端口、高达512KB的嵌入式闪存ROM、10/100以太网MAC、定时器、锁相环、振荡器、实时计数器，以及外设DMA控制器。该处理器与其外设经由一个被称作ABM的多层先进高性能总线(AHB)矩阵互连，ABM还能为处理器及其外设提供与FPGA架构和嵌入式模拟功能通信的路径。2. 可编程模拟技术每个SmartFusion器件都包含多达3个12位逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC)，12位模式下可工作在500Ksps(10位模式下为550ksps，8位模式下为600ksps)。为处理另一方向的信号，其中每个ADC都配备一个一阶sigma-delta数模转换器(DAC)，可在500Ksps下提供12位有效分辨率。为进一步增强ADC的功能，每个器件还集成了多达5个高性能模拟信号调节模块(SCB)。每一个SCB包含2个双极型高压监控器(精度1%)、1个高增益电流监控器、1个温度监控器(分辨率为0.25°C)，以及2个高速比较器。SmartFusion包含一个创新的模拟计算引擎(ACE)，可以分担嵌入式Cortex-M3处理器的底层初始化和模拟前端(AFE)控制等任务。ACE相当于第二个处理器，能够逐个样本或在一定预设时间后自动调节ADC的分辨率。该引擎还能够随时间自动提高或降低ADC的分辨率，或者延迟从一个ADC通道到另一个通道的采样。3. 灵活的FPGA架构SmartFusion的架构能够同时访问微控制器子系统和模拟计算引擎。SmartFusion架构基于已获验证的ProASIC 3闪存系列FPGA架构，可为用户提供多达50万个系统逻辑门和108kb嵌入式RAM。这种高度灵活的架构可通过AHB总线矩阵与微控制器子系统通信。由于该架构可作为总线的从结点或主结点，故其内部实现的功能可以从属于处理器。用户可以利用这些丰富的资源来构建额外的外设与定制功能。用户还能够访问美高森美公司的DirectCore库(包含50多个不同IP模块)以及由独立第三方供应商开发的其它IP模块。4. 基于已获验证的闪存技术SmartFusion架构采用美高森美公司的CMOS闪存工艺建立。因此，SmartFusion器件具有闪存技术为可编程器件提供的所有优势，如低功耗和固件错误免疫力。对嵌入式设计人员而言，重点在于SmartFusion器件是非易失性的，从而可提供一种真正的上电即行单芯片解决方案，而这一点对任何真正的系统级芯片(SoC)解决方案来说都是必需的。一个复杂示例：永磁同步电机最常见的PMSM控制技术是向量或磁场定向控制(FOC)技术。在磁场定向控制中，在任何指定时间定子电流都被控制在与转子磁场成90度，以获得最大转矩。因此，FOC需要计算大量的向量变换(例如Clarke和Park变换)，以精确判断当前的电机状态。除FOC之外，还需执行空间向量脉宽调制(space vector pulse-width modulation, SVPWM)，相比传统的脉宽调制(PWM)方法，它可以减少谐波，提高效率。这种算法的早期实现方案是采用专用集成电路(ASIC)来实现的，后来则使用数字信号处理器(DSP)。ASIC方案虽然集成度很高，但成本高昂，目前不再使用。DSP可以实现低成本高速控制，但整个解决方案需要大量支持器件才能完成。最近有一类新的控制器面市，即数字信号控制器(DSC)。DSC基本上就是具备了DSP功能(如乘法累加功能)的微控制器。尽管DSC可以为设计人员提供更高的集成度，但它们的功能仍然十分有限。一些更复杂的系统要求每个电机配备一个DSC，另外还需要额外的功能。图2说明了如何利用SmartFusion资源来实现一个FOC算法。Park、Clarke和逆向Clarke变换可用软件在嵌入式Cortex-M上执行。或者，这三项任务也可以从处理器中卸载下来并采用硬件执行，以实现对这些功能的进一步加速。比例积分(PI)调节器、空间向量PWM和角度计算等专用功能可通过SmartFusion FPGA架构中的硬件实现而得到大幅加速。一些额外的功能(如电流和电压感测)也可以在SmartFusion的可配置模拟模块中执行。

图2：在SmartFusion中实现的FOC

运动控制系统不仅限于电机控制。这种控制必须与系统的其余部分进行通信，此外还需处理额外的需求，如控制致动器和螺线管，甚至控制额外的电机。由于SmartFusion器件提供了丰富的FPGA逻辑资源，以及微控制器和可配置模拟模块，因此它们具有实现整个系统的资源。本文小结采用SmartFusion器件，运动控制系统的设计人员现在就有机会开发出控制更复杂电机的单芯片解决方案。利用一个带有单周期乘法、32个优先级的中断以及大量外设的嵌入式32位ARM Cortex-M3处理器，SmartFusion混合信号FPGA可提供众多DSC功能；除此之外，它的另一项额外优势是能够对FPGA架构中执行的一些功能进行硬件加速，从而为其它用户功能留出大量余裕。另外，SmartFusion器件配备了充足的外设，用于低速通信(SPI、I2C和UART)和高速通信(10/100以太网MAC)，以及系统其余部分的连接。将这些功能与可配置模拟功能结合起来，就催生出了业界首款单芯片运动控制器SmartFusion。(end)

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