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让运动控制更进一步
 

【作者: Yvonne Lin】2011年05月11日 星期三

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为了因应市场日益增加的要求,运动控制系统也变得越来越复杂。对更佳的能源效率、更多的功能性、更小的尺寸和更高度的整合性的需求不断增长,促使设计人员找寻更具创新性的解决方案。至今,市面上的解决方案都涉及到在数位讯号处理器或微控制器上执行控制演算法。然而,为了达到复杂的电机控制演算法,如磁场导向控制,所需的反应时间要求,常常需要硬体加速。


除此之外,还需要类比电路来读取感应器资料,决定位置和速度,检测故障,监控温度等等,同时还需要数位元连接来做为与系统其余部分的介面。这种结合个别元件来实现的解决方案,在可靠性、整合度和成本方面都不尽理想。设计人员一直以来所欠缺的是一个能够满足所有这些要求的单晶片解决方案,而现在,直到SmartFusion混合信号FPGA的推出,终使设计人员的需求得到满足。Microsemi的SmartFusion元件整合了下一代运动控制系统设计人员所需的三大元素─高性能的微控制器、高密度的FPGA架构,以及可程式类比─全部都在单一封装中,从而让设计人员能够同时获得高整合度和低成本的优势。


在对更高能效、更小尺寸和额外属性(如平滑性和精度)的要求推动之下,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)。为了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单个8位/16位微控制器的、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会涉及到通过FPGA、高性能数位讯号处理器(DSP),或数位信号控制器(DSC)等专用处理器来执行硬体加速。


要对电机进行精确控制,控制器必须从感测器那里采集电机资料,基于回馈计算下一个命令,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荷,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设计人员一直以来都在寻找的单晶片运动控制解决方案的需求。而Microsemi的SmartFusion正是能够满足这一需求的一种单晶片器件,它整合了一个ARM Cortex-M3 微控制器内核、高性能FPGA 结构和可程式设计类比资源,是业界首款单晶片运动控制解决方案。


运动控制的方向

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演算法来控制PMSM和交流电机的挑战。这些具挑战性的电机控制演算法常常本身就十分复杂,并需要硬体执行,以减少计算时间,缩短回应时间。此外,必须同时结合类比和数位领域的回馈,才能准确评估出当前电机状态。


这样的设计常常是多轴性的,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)。而事实已证明,要实现这种程度的即时控制,其实超出了已有的任何单个现货器件的能力范围。


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准的转矩控制、平滑运动、精度、效率等。不过,要通过控制PMSM来实现这些特性是一项复杂的任务。 PMSM不同于其同类产品(如梯形换相无刷直流电机),其控制器必须执行复杂的正弦换相演算法才能实现这些出色的特性。而随着SmartFusion的面世,这种解决方案成为可能。


SmartFusion

Microsemi的SmartFusion器件整合了下一代运动控制系统设计人员所需要的三大元素:高性能微控制器、高密度FPGA架构,以及可程式设计模拟资源,所有这些都集成在单个封装中,从而让设计人员能够同时获得高集成度和低成本的优势。


处理器内核

SmartFusion器件的核心是一个嵌入式ARM Cortex-M3处理器内核,而M3是全球最流行的32位处理器之一,这标志着32位处理器与FPGA架构的第一次结合。除了支援即时操作系统(RTOS)运行的记忆体保护单元(MPU)之外,此内核还包含有一个嵌套向量中断控制器(NVIC),其能够处理151个带有32个优先顺序的分立式中断。这个32位RISC处理器具有单周期乘法器和硬体除法器,能够提供大约125DMIPS的性能。


Cortex-M3内核周围是众多集成式外设:SPI、I2C、UART 序列埠、高达512 KB 的嵌入式FlashROM、10/100 乙太网MAC、计时器、锁相环、振荡器、即时计数器,以及外设DMA 控制器。


该处理器与其外设经由一个被称作ABM的多层先进高性能汇流排(advanced high-performance bus, AHB)矩阵互连,ABM还能为处理器及其外设与FPGA架构及嵌入式模拟功能之间的通信提供路径。



《图一 SmartFusion的模块示意图》
《图一 SmartFusion的模块示意图》

可程式设计模拟

每个SmartFusion器件都包含有多达3个12位逐次逼近寄存器(successive approximation register, SAR)模数转换器(ADC),其在12位元模式下支援500 Ksps工作(10位元模式下为550 ksps ,8位元模式下为600 ksps)。为了处理其它方向的信号,其中每个ADC都配备有一个第一阶(first-order) sigma-delta 数模转换器(DAC),可提供500 Ksps的高效12位解析度。


为了进一步增强ADC的功能性,每个器件还集成了多达5个高性能类比信号调节模组(signal conditioning block, 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 (解析度为0.25°C),以及2个高速比较器。


SmartFusion包含有1个创新的类比计算引擎(ACE),可以分担嵌入式Cortex-M3处理器的底层初始化(low-level initialization)和模拟前端 (analog front-end, AFE) 控制等任务。 ACE 相当于第二个处理器,能够逐个样本,或在预设一定时间之后,自动调节ADC的解析度。该引擎还能够随时间自动提高或降低ADC的解析度,或延迟从一个ADC通道到另一个通道的采样。


灵活的FPGA架构

SmartFusion器件能够同时访问微控制器子系统和类比计算引擎。 SmartFusion架构基于已获验证的ProASIC®3 flash FPGA架构,可为用户提供多达50万系统门和108kb嵌入式RAM。


这种高度灵活的架构可通过AHB汇流排矩阵与微控制器子系统通信。由于此架构可作为汇流排的从结点或主结点,故其内部实现的功能是处理器的从属功能。


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Microsemi的DirectCore库(包含50多个不同的IP模组)以及由协力厂商供应商独立开发的其它IP模组。


基于已获验证的Flash技术

SmartFusion架构采用Microsemi的CMOS flash工艺建立。因此,SmartFusion器件具有flash技术为可程式设计器件提供的所有优势,如低功耗和固件错误免疫能力。对嵌入式设计人员而言,重点在于SmartFusion器件是非易失性的,可提供真正的上电即行单晶片解决方案——而这一点对任何真正的系统级晶片(SoC)解决方案来说都是必要条件。


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(field-oriented control, FOC)技术。在磁场定向控制中,定子电流被控制,在任何给定时间都会与转子磁场成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方法,它可以减少谐波,提高效率。这种演算法的早期实现方案是采用专用积体电路(ASIC)来实现的,后来则使用数位讯号处理器(DSP)。 ASIC方案虽然集成度很高,但成本高昂,目前不再实用。 DSP可以实现低成本高速控制,但整个解决方案需要大量支援器件才能完成。最近,一类新的控制器面市,这就是数位信号控制器(DSC)。 DSC基本上就是具备了DSP功能(比如乘法累加功能)的微控制器。尽管DSC可为设计人员提供更高的集成度,但它们的功能性仍然十分有限。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性。


图二展示了如何利用SmartFusion资源来实现一个FOC演算法。 Park、Clarke和逆向Clarke 变换可采用软体在嵌入式Cortex-M上执行。或者,这三项任务也可以从处理器中卸载下来,采用硬体执行,以对这些功能进一步加速。比例积分(PI)调节器、空间向量PWM和角计算等专用功能,可通过SmartFusion FPGA架构中的硬体实现方案而得到大幅加速。额外的功能,如电流和电压感测,也可在SmartFusion可配置类比模组中执行。



《图二 在SmartFusion中实现的 FOC》
《图二 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,乃至控制额外的电机。 SmartFusion器件提供有丰富的FPGA架构资源,以及微控制器和可配置类比模组,因此它们也拥有实现整个系统的资源。


总结

使用SmartFusion器件,运动控制系统的设计人员现在就有可能开发出控制更为复杂的电机的单晶片解决方案。利用一个带有单周期乘法、32个优先顺序的中断以及众多外设的嵌入式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,它还具有一项额外的优势,即能够对FPGA架构中执行的一些功能进行硬体加速,从而留有大量余裕给其它用户功能。另外,SmartFusion器件配备了充足的外设,以用于低速通信(SPI、I2C和UART) 和高速通信(10/100 乙太网 MAC),以及系统其余部分的连接。把这些功能与可配置类比功能结合起来,就催生出了业界首款单晶片运动控制器—SmartFusion。


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