運(yùn)動(dòng)控制和混合信號(hào)FPGA

　隨著電子元件的性能和集成度不斷提高而價(jià)格卻不斷降低，電子控制單元的發(fā)展正一日千里。隨著各種技術(shù)和應(yīng)用大量涌現(xiàn)，從家電領(lǐng)域到工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，大家關(guān)注的重點(diǎn)還是在增加設(shè)計(jì)和提高電源效率的同時(shí)能減少設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和整體的系統(tǒng)成本。

　　與此同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的復(fù)雜程度也越來(lái)越高，已從簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)型控制向在高度集成環(huán)境中具備精確控制的可變速應(yīng)用發(fā)展。無(wú)論是交流、直流、有刷和無(wú)刷電機(jī)的各種控制電路主要由三部分構(gòu)成：人機(jī)界面、微控制器(MCU) 和控制邏輯。對(duì)于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制，傳感器接口是外加的一個(gè)元件(圖1)。將運(yùn)動(dòng)控制邏輯納入數(shù)字領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)分布式環(huán)境控制。運(yùn)動(dòng)控制電子和分布網(wǎng)絡(luò)的配合可在車間實(shí)現(xiàn)多種新功能，包括遠(yuǎn)程管理；適應(yīng)不斷變化的協(xié)議；性能監(jiān)視；以及按期進(jìn)行維護(hù)。

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??????? 圖1：傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)方法需要多個(gè)分立元件。這種閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口、微控制器、模擬器件、霍耳 (hall) 傳感器接口和控制邏輯。

　　舉例說(shuō)，當(dāng)今汽車制造業(yè)廣泛使用由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。機(jī)械手系統(tǒng)使得分布式控制更為復(fù)雜，而不同的機(jī)械手要同時(shí)在幾個(gè)車輛上安裝不同的零件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員主要的挑戰(zhàn)之一是要通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)械手和其他自動(dòng)化設(shè)備的同步。更復(fù)雜的是，遠(yuǎn)程管理功能(如監(jiān)視、數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程配置) 對(duì)復(fù)雜的中央控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往非常關(guān)鍵，也就是說(shuō)，必需有一個(gè)有效的分布控制機(jī)制。

　　隨著半導(dǎo)體工藝和集成度的提高，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA) 已成為許多電子運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的重要替代平臺(tái)。FPGA的發(fā)展迅猛，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中替代了特定用途集成電路(ASIC)。非易失性FPGA是具成本效益的ASIC替代方案，不存在采用ASIC時(shí)涉及開(kāi)發(fā)成本高和開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。而且，利用FPGA替代固定的邏輯，設(shè)計(jì)人員無(wú)論在設(shè)計(jì)階段還是在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，都可以高效、可靠地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)及定制功能。

　以Flash 為基礎(chǔ)的混合信號(hào)FPGA (如Actel Fusion PSC) 能在單芯片上實(shí)現(xiàn)前所未有的集成度。因此，這類器件可替代多個(gè)分立元件，能使成本和占用板卡空間減少最少50%，同時(shí)又能維持系統(tǒng)的可靠性(圖2)。而且，混合信號(hào)器件上集成的Flash 內(nèi)存可以讓設(shè)計(jì)人員存儲(chǔ)設(shè)計(jì)文檔，不象那些以SRAM為基礎(chǔ)的FPGA需要另外配置PROM。此外，與其他可重編程FPGA解決方案一樣，可配置和靈活的混合信號(hào)FPGA器件可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程中甚至應(yīng)用之后，輕易進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。

　　眾所周知，F(xiàn)PGA能通過(guò)并行處理加快數(shù)學(xué)運(yùn)算，使它成為實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制邏輯的理想選擇。FPGA能執(zhí)行更嚴(yán)格的控制環(huán)，因此提供更佳的控制和更少的波動(dòng)和噪聲。設(shè)計(jì)人員還能在集成了Flash 內(nèi)存的混合信號(hào)FPGA中集成軟處理器核，從片上存儲(chǔ)器直接運(yùn)行，從而緊密地配合控制邏輯和中斷驅(qū)動(dòng)程序的需要。由于設(shè)計(jì)中的邏輯門(mén)數(shù)量和類型及控制邏輯的功能因應(yīng)用而有所不同，即基于性能要求而定；因此，可編程邏輯往往最適合于實(shí)現(xiàn)各種用戶接口和數(shù)字控制邏輯，包括網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口、脈沖寬度調(diào)制(PWM)，以及正交編碼器接口和傳感器輸入；這對(duì)當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)都非常重要。

　　網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口

　　在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口可讓用戶發(fā)出指令對(duì)邏輯電路進(jìn)行初始化、配置和控制，并且遠(yuǎn)程管理控制系統(tǒng)。根據(jù)功能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，每個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口都可能會(huì)采取獨(dú)特的實(shí)現(xiàn)方式，但有一點(diǎn)共同的是，都會(huì)利用接口來(lái)提高系統(tǒng)的可訪問(wèn)性。

　　目前已經(jīng)有各種各樣的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，如用于本地訪問(wèn)的通用串行總線(USB)、基于RS232的串口和控制器局域網(wǎng)(CAN) 接口，以及基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的10/100以太網(wǎng)。在苛刻的環(huán)境下，如汽車制造車間，可能還需要無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口。這種接口可在制造車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步、數(shù)據(jù)共享、狀態(tài)監(jiān)視和故障報(bào)警。此外，基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)接口則用于延長(zhǎng)由任何距離遠(yuǎn)程訪問(wèn)中央制造控制設(shè)施的能力。

??????? 圖2：Actel Fusion PSC能在單芯片上為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前所未有的功能集成，將可配置模擬、大容量 Flash 內(nèi)存模塊、周全的時(shí)鐘生成和管理電路，以及高性能的可編程邏輯全部集成在單芯片中。這個(gè)架構(gòu)體系可與Actel的ARM或 8051軟核和其它針對(duì)具體應(yīng)用開(kāi)發(fā)的IP核 (如脈沖寬度調(diào)制器) 同用。

　　在許多情況下，工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用都需要特殊的控制算法和裝置來(lái)完成特殊的任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)接口無(wú)法提供的功能，需要考慮采用專門(mén)的接口。為了充分發(fā)揮某個(gè)分布控制系統(tǒng)的潛力，標(biāo)準(zhǔn)接口或?qū)ｉT(mén)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都必須加到板卡級(jí)中，或嵌入到可編程邏輯內(nèi)。而FPGA是將所有接口集成在一起的最佳平臺(tái)。特別是，當(dāng)今的混合信號(hào)FPGA器件具有模擬前端，能支持種類眾多的用戶輸入，以及實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制所需的電壓、電流和溫度監(jiān)視功能。

　脈沖寬度調(diào)制(PWM)

　　PWM邏輯并不是所有運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用都適用的方案。由于不同電機(jī)的繞組圈數(shù)、額定電壓/電流、扭矩曲線和其他參數(shù)的差異很大，因此每種PWM系統(tǒng)都需要對(duì)這些差異加以考慮。在PWM控制的系統(tǒng)中，施加電壓的順序決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在給定繞組電感下，占空比(或者說(shuō)脈沖頻率和脈沖串長(zhǎng)度) 決定了電機(jī)的峰值電流和磁通量(即其扭矩大小)。機(jī)械動(dòng)量和繞組電感(部分由繞組圈數(shù)所決定) 會(huì)使PWM電壓變得平滑。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路的加壓順序、頻率和占空比，PWM 系統(tǒng)就可控制方向、速度和平均扭矩。利用FPGA 器件，設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建最適合系統(tǒng)要求的PWM方案，而不必非得采用傳統(tǒng)的MCU/DSP方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　正交編碼器接口(QEI)

　　大多數(shù)高精度電機(jī)(如用于機(jī)械手的伺服步進(jìn)電機(jī)) 都支持正交編碼器接口?？刂葡到y(tǒng)必需提供正交編碼器接口邏輯來(lái)精確電機(jī)速度、位置和加速。當(dāng)然，采用可編程邏輯技術(shù)便可在各種模式下取決于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中采用的電機(jī)特性，精確并動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)速度。

　　傳感器輸入

　　對(duì)于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，需要有轉(zhuǎn)子位置和/或轉(zhuǎn)數(shù)輸入。這些輸入可以是內(nèi)置的霍耳效應(yīng)傳感器或外接的光學(xué)位置編碼器、同步解析器或磁感應(yīng)傳感器。利用集成的模擬前端，混合信號(hào)FPGA將提供更加集成的解決方案，能夠減少部件數(shù)、降低系統(tǒng)成本和提高可靠性。

　　可靠性和系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間

　　對(duì)于今天的電子系統(tǒng)，高性能、低集成成本和快速診斷能力非常關(guān)鍵。診斷和預(yù)報(bào)，即確定故障類型并作出預(yù)報(bào)的功能，在系統(tǒng)管理中的重要性越來(lái)越高。讀取帶有時(shí)間標(biāo)記系統(tǒng)參數(shù)的各種板卡運(yùn)行的功能或事后分析故障的功能對(duì)于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是無(wú)價(jià)之寶。同樣地，能構(gòu)建出一個(gè)"黑匣子"將為查找故障類型和設(shè)計(jì)缺陷節(jié)省寶貴的時(shí)間和精力。

　　混合信號(hào)FPGA的片上Flash 內(nèi)存可保存關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)，并對(duì)其作時(shí)間標(biāo)記，如電源線路電流消耗、器件溫度和電壓波動(dòng)等。這些數(shù)據(jù)不僅可用于事后故障分析，而且還可讓創(chuàng)新的設(shè)計(jì)人員用于運(yùn)行中的系統(tǒng)趨勢(shì)分析。例如，設(shè)計(jì)人員可以測(cè)量(當(dāng)輸入某一電壓時(shí)) 繞組的電流和電機(jī)的振動(dòng)，以確定什么情況下按計(jì)劃的方式關(guān)閉設(shè)備。在工業(yè)應(yīng)用中，從解決故障問(wèn)題所需的成本以及設(shè)備關(guān)閉所造成的利潤(rùn)損失來(lái)考慮，按計(jì)劃的方案關(guān)閉設(shè)備比意外關(guān)閉的費(fèi)用要少得多。混合信號(hào)FPGA可讓設(shè)計(jì)人員通過(guò)分析某一特定參數(shù)如何改變板卡的壽命，在故障發(fā)生前作出預(yù)報(bào)，從而最大限度地提高機(jī)器利用率，延長(zhǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間，并降低可能造成重大損失的系統(tǒng)崩潰風(fēng)險(xiǎn)。

　　電機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，而且許多應(yīng)用都正在由機(jī)電設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向電子設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)和功率電子器件的成本一直是推廣電子電機(jī)控制廣泛應(yīng)用的障礙之一。隨著半導(dǎo)體工藝和功能集成技術(shù)的進(jìn)步，這個(gè)障礙正在慢慢消失。而且，由于今天采用固定功能實(shí)現(xiàn)方式的成本仍然很高，常常需要不同的部件和在各個(gè)設(shè)計(jì)反復(fù)環(huán)節(jié)作板卡級(jí)變更，F(xiàn)PGA遂成為了許多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的替代解決方案。

　　理想的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)往往需要將一些可協(xié)同操作的部件放在一起，使它們能在運(yùn)行中和諧配合。而混合信號(hào)FPGA解決方案的功能集成度非常高，正好能滿足這種需求，可以大幅減少部件數(shù)目、板卡空間和整體系統(tǒng)成本，從而增加系統(tǒng)的可靠性和正常運(yùn)行時(shí)間。