【導讀】電動機總體上消耗了很大一部分的全球電力,從而帶來了更復雜的電機控制設計，這些設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IHS Technology指出，96%的電機壽命周期成本是純電力成本。監管機構為它們實施了更嚴格的能源標準。而且，制造商正在審查其在設備總體成本(TCO)中所占的巨大比率。這帶來了更復雜的電機控制設計，這些設計使用基于傳感器和無傳感器反饋回路和先進的算法，實現更精密的控制和更高的電機效率。
電機設計人員還必需支持不斷變化的工業控制標準和技術，同時提供關鍵性系統功能以確保安全性、可調節性和可靠性。要滿足能效和系統級功能需求增強的雙目標，需要充分的算法處理能力和靈活的可調節系統架構。基于閃存的非易失性安全低功耗系統級芯片(SoC)FPGA器件通過提供必需的功率，同時結合固有和分級的安全性和可靠性，能夠同時應對這兩個挑戰，不但可保護物聯網(IoT)應用的通信，并且具有在各種多軸或高RPM應用中快速、輕易地從小占位面積轉換至功能豐富的定制電機設計的可調節性。
挑戰
雖然傳統設計使用簡單的標量控制、高效電機在所有轉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，FOC還可以根據應用需求來優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，以及復雜算法來調整關鍵的電機動作參數，包括速度、位置或角度、轉矩、電流及通量。傳統上，單軸或雙軸設計利用微控制器(MCU)和DSP處理算法，但其處理能力無法跟上日益增長的多軸或高旋轉電機性能需求。此外，現時的情況日趨復雜，因為除了電機控制的效率外，我們很多時候還要關注其他問題，尤其是聯網的工廠，現今的物聯網(IoT)環境對于安全通信帶來了重要的要求—這是基于閃存的FPGA架構適宜處理的挑戰。
圖1：可以用于電機控制和監控功能，基于閃存的SoC FPGA架構示例。
在電機控制設計的功率電子方面，存在著從絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件轉向碳化硅(SiC)功率MOSFET器件的遷移，SiC解決方案提供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器件在較高開關頻率場合的表現不佳，某些DSP可以優化幾個用于高頻開關的通道，但是，它們仍然缺乏快速適應需求變化， 以及增添更多脈寬調制(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器件提供比基于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功能以進一步提升TCO。設計人員能夠使用基于閃存的FPGA來調節至更高的開關頻率和更多的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ARM Cortex-M3微控制器的基于閃存SoC FPGA器件，可以用于電機控制和監控功能。這個FPGA用于電機控制功能的硬件加速，以提升性能和設計靈活性。電機控制算法可以運行在FPGA器件，以實現更快速的并行處理，它具有智能分區，以確保微控制器子系統中的所有通信協議處理都不會影響到在FPGA器件內運行的電機控制算法計算。
即插即用IP模塊化套件，經定制實施所有必需的數學電機模型，完善了今天的FPGA解決方案。開發人員可以確定哪一個IP模塊用于FPGA架構中的硬件加速，從而能夠應對全系列算法處理挑戰。這些解決方案確保低功耗運作，同時推動開發人員優化其系統以使用加快上市速度的簡化設計過程，同時提供滿足不斷演進之需求的靈活性和可擴展性，從而實現高可靠性、高安全性和保密功能。
低功耗運作
用于電機控制設計的FPGA器件必需同時減小靜態功率和總體功率，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，具有內置單晶體管閃存單元的FPGA更具有優勢。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、架構和可配置邏輯設計， 以及嵌入式功能，包括增強的M3 MCU、5G SERDES、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%靜態功率。
可靠性、安全性和保密性
正常情況下，在實施確定性定時很重要的電機控制和網絡功率方面，FPGA器件更為可靠。微控制器的定時變化可能高達數毫秒，而FPGA器件的定時變化則少于數納秒。
圖2：IP模塊推動共用FPGA資源的分享，實現最高效的芯片利用率。
實現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(SEU)免疫能力，SEU可以改變配置SRAM的內容。某些基于閃存的FPGA器件具有保護超連接工業IoT系統避免克隆、篡改和其它惡意攻擊的關鍵存儲能力，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(physically unclonable function,PUF)，其中公匙/私匙方案可以用于通過公匙基礎設施(PKI)實施M2M認證。其它功能包括加密加速器、隨機數字發生器、保護CPU/DSP內核的硬件防火墻頭，以及差分功率分析(DPA)防御措施，這些功能合并起來，在整個系統中實施分層安全性以保護硬件和數據。
通過模塊化方法簡化設計
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實施算法。設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， 以確保精密的轉矩輸出，并可輕易集成以創建任務專用模塊。各個模塊促進了共用FPGA資源的分享，以實現最高效的芯片利用率(圖2)。
這款IP套件還包括所有基礎構件，包括Clarke和Park轉換、用于控制環路反饋的比例積分(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)，以便需要越多資源來支持集成需求。根據需求而定，在FPGA器件上運行的IP套件可以調節以驅動兩個無刷直流(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。一個調節多軸FOC控制的方法，是在器件中各個FOC環路實行時分多工，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矩需求。在FPGA架構中實施各種功能，騰出微處理器子系統用于運行通信協議堆棧，提供人機接口，或者其它任務。
電機的設計人員必需滿足強制的能量要求， 同時確保系統能夠調節和適應。基于閃存的SoC FPGA器件提供了吸引力日益增強的產品以替代DSP、MCU、ASIC 和ASSP器件，結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，能夠用作連接工廠中安全IoT通信的信任根。
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