解決確定性多軸電機(jī)控制設(shè)計的挑戰(zhàn)
發(fā)布時間:2017-10-30 來源:Aniket Athawale 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】現(xiàn)代傳動系統(tǒng)要集成控制回路精度、擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)通信、外設(shè)控制、數(shù)據(jù)和設(shè)計安全、功能安全和可靠性等特性,這是十分重要的。此外,電機(jī)必須準(zhǔn)確并且同步控制,同時不損害性能和確定性,在多軸控制系統(tǒng)中尤其如此。
電機(jī)消耗的電能占全球電耗的比例非常高。在很大程度上,電機(jī)的能耗取決于電機(jī)和傳動效率。為了降耗、提高傳動效率和改善性能,世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)均已實施能源效率標(biāo)準(zhǔn)。因此,電機(jī)傳動的部署正日益使用高精度、高性能電機(jī)控制算法?,F(xiàn)代傳動系統(tǒng)要集成控制回路精度、擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)通信、外設(shè)控制、數(shù)據(jù)和設(shè)計安全、功能安全和可靠性等特性,這是十分重要的。此外,電機(jī)必須準(zhǔn)確并且同步控制,同時不損害性能和確定性,在多軸控制系統(tǒng)中尤其如此。為了滿足這些控制和集成要求,嵌入式設(shè)計人員設(shè)計的傳動不僅要能夠運(yùn)行復(fù)雜的電機(jī)控制算法,而且要在連接性日益增加的環(huán)境下支持多個外設(shè)通信。
微控制器/數(shù)字信號處理器解決方案與 FPGA電機(jī)控制解決方案的比較
電機(jī)控制應(yīng)用設(shè)計傳統(tǒng)上采用微控制器(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)來運(yùn)行電機(jī)控制算法。但是,隨著人們?nèi)找娌渴鹁哂懈呒伤?、擴(kuò)展性、現(xiàn)有IP重復(fù)利用性的高性能工業(yè)控制系統(tǒng),使得FPGA成為優(yōu)先選擇,尤其結(jié)合了ARM Cortex M3微控制器和FPGA邏輯資源的解決方案,為許多關(guān)鍵任務(wù)提供了理想的分工。它們?nèi)找姹徊杉{的原因有幾個。
首先,由于架構(gòu)和訪問指令存儲器的原因,使得微控制器十分適合用于速度更慢的串行任務(wù),但是,對時間要求更苛刻的并行處理功能的應(yīng)用,F(xiàn)PGA則是更加理想的選擇。例如,在多軸控制中,速度獨(dú)立的多個電機(jī)通過實施確定性控制環(huán)路進(jìn)行控制。通常,多軸電機(jī)控制系統(tǒng)還集成了外設(shè)控制、傳感器接口、保護(hù)邏輯/安全和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。與這些功能有關(guān)的任務(wù),各自擁有不同的執(zhí)行時間和優(yōu)先等級。
微控制器或DSP傳動控制器采用屏蔽和中斷服務(wù)程序來分配每種任務(wù)的執(zhí)行優(yōu)先等級。某些未屏蔽的任務(wù)可能在控制回路之前執(zhí)行,導(dǎo)致控制回路的實際執(zhí)行時間不確定。相反,F(xiàn)PGA的控制回路和片上系統(tǒng)(SoC)FPGA與其它過程并行執(zhí)行,在多軸控制環(huán)路中,還可以采用時分多路復(fù)用(TDM)方案順序運(yùn)行。
配備ARM Cortex-M3微控制器的SoC FPGA甚至更高效地執(zhí)行這種應(yīng)用:這種FPGA用于按嚴(yán)格確定性定時方式執(zhí)行的控制回路非常理想,而較低速度的接口則可以與ARM M3微控制器連接(圖1)。
圖1:基于Flash的SmartFusion2 SoC FPGA實施的高度集成電機(jī)控制解決方案
表1:微控制器/數(shù)字信號處理器解決方案vs FPGA電機(jī)控制解決方案
此外,F(xiàn)PGA解決方案改善了擴(kuò)展性和性能。正如前述,在基于FPGA的控制中,優(yōu)先等級更低的任務(wù)對控制回路的執(zhí)行沒有影響,因此,增加電機(jī)的數(shù)量并不會影響控制回路的執(zhí)行時間。根據(jù)需求,可以擴(kuò)大FPGA上運(yùn)行的IP組合,從驅(qū)動兩臺無刷DC(BLDC)步機(jī)電機(jī)通道擴(kuò)大到六軸解決方案,或?qū)㈦姍C(jī)性能提高到70000 RPM以上。
此外,采用基于FPGA的多軸控制可以支持高達(dá)數(shù)百KHz的更高脈沖寬度調(diào)制(PWM)開關(guān)頻率。除集成PWM產(chǎn)生等特性之外,基于FPGA的電機(jī)控制器還包括嵌入式處理、控制外設(shè)(如USB、PCIe、I2C和CAN)專用塊、多用戶定義I/O及擁有參考設(shè)計的即用型IP庫。很重要一點是要記住電機(jī)控制算法并非唯一要求的功能。通常,完整的電機(jī)控制設(shè)計需要一個或多個通信接口和控制I/O。這些接口并非面向高性能,因此,非常適合使用M3等微控制器來實施。通信接口可以是CAN總線、SPI、UART或其它控制總線。SoC FPGA在客戶外設(shè)和設(shè)計其它部分之間提供橋梁,當(dāng)需要其它外設(shè)時,可以采用基于微控制器的SoC FPGA。模塊化IP組件還簡化了定制和擴(kuò)展,支持多軸電機(jī)或高轉(zhuǎn)動速率解決方案的不同組合,同時滿足不斷演變的地區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IP塊越緊湊(即整個組合不到10000個邏輯元件),支持集成需求的凈空間便越多。
可靠性和安全性是FPGA解決方案的其它兩個重要方面。當(dāng)設(shè)計用于衛(wèi)星太陽能電池板、導(dǎo)向和控制系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)掃描儀、核電廠機(jī)械及執(zhí)行器(Actuator)和發(fā)動機(jī)控制等應(yīng)用的系統(tǒng)時,航空電子特別重要。許多半導(dǎo)體部件(包括MCU/DSP)易受單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)的影響??煽啃院桶踩缘淖罴堰x擇是基于Flash而不是SRAM)的FPGA。所有配置信息芯片位于非易失性存儲器內(nèi),它們在啟動時絕對不會暴露位流。FPGA用于實施確定性定時非常重要的電機(jī)控制和網(wǎng)絡(luò)功能時也比微控制器可靠。微控制器的定時差異是幾毫秒,而FPGA的定時差異僅幾納秒或更低。
FPGA還滿足確定性多軸電機(jī)控制解決方案的安全挑戰(zhàn)要求。在現(xiàn)今的業(yè)界中,設(shè)計可能被克隆,或其數(shù)據(jù)可能被篡改或竊取的威脅日益增加。OEM面臨的另一個威脅是其處理所有要求設(shè)計和IP的供應(yīng)商或合同制造商或會過度制造。大多數(shù)MCU/DSP可能無法提供FPGA固有的高級安全特性水平,這些安全特性能夠以分層方法提供硬件安全性、設(shè)計安全性和數(shù)據(jù)安全性(全面安全戰(zhàn)略的三個關(guān)鍵要素)。有些基于閃存的FPGA還可以作為擁有關(guān)鍵儲存能力的信任根設(shè)備,防止超連接工業(yè)IoT受到惡意攻擊。FPGA采用物理反克隆功能(PUF)等特性應(yīng)對安全需求,其中在公鑰/私鑰方案中,采用公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(PKI),私鑰用于實施M2M驗證。其它特性包括加密加速器、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、用于保護(hù)CUP/DSP內(nèi)核的硬件防火墻,及差分功率分析(DPA)措施,它們相互配合,使整個系統(tǒng)根據(jù)需要對安全進(jìn)行分層,從而保護(hù)硬件和數(shù)據(jù)。
與基于微控制器或DSP的實施相比,基于FPGA的電機(jī)控制實施的關(guān)鍵優(yōu)點是確定性、擴(kuò)展性和性能、可靠性,以及耐用性及安全性。
● 確定性— 在MCU或DSP實施中,任務(wù)順序運(yùn)行,執(zhí)行時間和中斷優(yōu)先等級不同。ISR的執(zhí)行時間不一定受到限制,因此可能導(dǎo)致不確定。與此相反,F(xiàn)PGA并行運(yùn)行任務(wù),每個任務(wù)的執(zhí)行時間是確定的,并且總是產(chǎn)生確定性的輸出。
● 擴(kuò)展性和性能 - 對更高開關(guān)頻率的多軸電機(jī)控制來說,MCU/DSP的性能并非最優(yōu)化。高速電機(jī)要求較高開關(guān)頻率(如500 kHz)和‘ => 2 µs ’ FOC回路執(zhí)行。MCU硬件架構(gòu)(PWM、ADC和GPIO)在控制多個電機(jī)方面存在局限性。采用FPGA實施,高級現(xiàn)場定向控制(FOC)的執(zhí)行時間是1 µs。用于FOC的TDM可用于控制多個電機(jī)。任何I/O引腳均可配置用于PWM和ADC接口,F(xiàn)PGA集成了多個工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議、HMI和其它典型MCU/DSP不支持的接口。
● 可靠性和耐用性 – MCU和DSP易受軟失效(SEU)的影響,產(chǎn)品使用壽命短。FPGA不受SEU影響,并且抗多種應(yīng)用中的輻射,而產(chǎn)品使用壽命通常在20年以上。
● 安全性 –基于MCU/DSP的實施存在篡改、克隆和制造過多的風(fēng)險,而基于FPGA的實施則擁有防篡改、安全啟動、安全通信和強(qiáng)大的安全傳承特性。
圖2:SmartFusion2雙軸電機(jī)控制啟動器套件(SF2-MC-STARTER-KIT)
電機(jī)開發(fā)人員要滿足今天的能源效率法規(guī)和新技術(shù)要求,同時要確保設(shè)計可擴(kuò)展以支持不同的多軸電機(jī)或高轉(zhuǎn)動速率解決方案組合,非常富有挑戰(zhàn)性?;贔lash的SoC FPGA應(yīng)對了這些挑戰(zhàn),將處理能力與硬件和軟件編程性和集成新特性和功能的能力相結(jié)合,同時促進(jìn)了多層安全性。它們提供了先進(jìn)的特性,如多軸控制、確定性響應(yīng)、并行處理、功能集成和靈活性,使設(shè)計人員能夠降低系統(tǒng)的總體擁有成本(TCO)。
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