?

??? 混合信號 FPGA 是工業(yè)電機控制的一種全新選擇方案,，它與集成式軟處理器結(jié)合使用,，便能夠以較低的成本讓大多數(shù)應(yīng)用輕松地實現(xiàn)各種類型的電機設(shè)計。?

?

圖1：對于單相和三相電機的高效控制,，愛特公司的 Fusion 器件等混合信號 FPGA,，能夠提供高度靈活的低成本單芯片解決方案，有助于降低功率要求,，并最大限度地節(jié)省能量成本,。?

?

??? 從電梯、家電,，到機器人和工業(yè)自動化生產(chǎn)線,，電機幾乎無處不在。今天,，全球耗電量已達驚人數(shù)字,，其中 50% 以上是電機消耗的?？上У氖?，許多電機的效率都很低，能源浪費相當嚴重,。例如,，小型交流電機的效率低至 50%，雖然加大電機尺寸可以提高電機效率,，但其實還有其它方法能夠提高效率和降低能耗,。?

?

??? 盡管增加電機控制可以大幅度提升效率，但控制和電能的高昂成本一直使它難以實現(xiàn),。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)和集成化技術(shù)的進步,，混合信號現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)作為電機控制的重要選擇方案應(yīng)運而生。這些高集成的靈活平臺能夠以單一低成本單器件,，提供電機控制所需的大部分資源,。使用 FPGA 代替固定邏輯器件，可讓設(shè)計人員得以靈活地針對應(yīng)用實現(xiàn)最高效的設(shè)計,，并能夠在各種各樣的電機控制應(yīng)用中采用相同的器件,。?

?

??? 利用混合信號 FPGA 和經(jīng)過軟 FPGA 優(yōu)化的微處理器，便能夠?qū)崿F(xiàn)智能負載匹配或變速控制,，只需增加極少的電機成本就可以在全范圍內(nèi)提高電機的功效,。事實上，結(jié)合最佳實踐,，混合信號 FPGA 加上經(jīng)過軟 FPGA優(yōu)化的微處理器之組合,，能夠使電機效率達到接近 95%。若廣泛采用電子式電機控制,，全球就可以節(jié)省15% 到 20%的電能,，每年的能耗顯著降低,，造成溫室效應(yīng)的氣體排放也大大減少。?

?

??? 當 AC 電機接近滿負載工作時,，它的效率可以達到 90% 以上,。不過，很少有電機一直都在滿負載情況下工作,，這是因為負載總是在變化,，而參數(shù)選擇也是有裕度的，效率會因此降低 75% 之多,，大大浪費能源,。一般來說，電機比它所驅(qū)動的負載量大兩,、三倍是很常見的事,，而這是一種成本高昂的工作模式。盡管電機根據(jù)了最大的負載量而設(shè)計,，但它的負載一般都比較小,，工作效率也很低。例如,，自動扶梯是按照最大承載人數(shù)來設(shè)計的,，可大多時候自動扶梯上的人數(shù)遠小于規(guī)定的最大容量，這使得它的效率很低,，造成能量的浪費,。而有了電機控制，就可以對負載進行連續(xù)的智能感測,，準確匹配相應(yīng)的輸入功率,，在整個工作范圍上最大限度地提高電機的效率，最大限度地減小功耗和運行成本,。哪怕負載有微小的變化,，也可以檢測出來，然后提供精確匹配的功率,，同時不影響電機的速度,。實際上，電子控制會根據(jù)工作情況不斷調(diào)節(jié)交流感應(yīng)電機的功率大小,，使其保持在理想的負載條件之下工作,。?

?

?? 交流電機的轉(zhuǎn)換不一定必需更換掉目前所用的所有電機，這需要大量的成本,。美國能源部估計美國單單工業(yè)領(lǐng)域都使用了1,240 萬部 1 匹以上的電機,。每年有多達 60 萬部電機出現(xiàn)故障需要更換,，因此電機更換一直在不斷進行中,，這意味著在未來　20年間,，大多數(shù) 1 匹以上的電機都得被更換掉，而全球其它地區(qū)的情況也大致相同,。以高效的電控電機替換所有這類電機,，可以使工業(yè)功率需求降低 18% 之多，從而為制造業(yè)大幅節(jié)省能源成本,。??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? ??????????????????????????

??? 對于能以恒定速度工作的應(yīng)用來說,，電控智能負載匹配是絕佳的解決方案?？上У氖?，并非所有采用交流電機的應(yīng)用都能以恒定速度工作。對于適合已知負載量的應(yīng)用的低成本驅(qū)動,，可采用變頻驅(qū)動 (VFD) 根據(jù)當前條件相應(yīng)改變電機的轉(zhuǎn)速,。根據(jù)工作條件持續(xù)變速并保持頻率/電壓 (V/f 控制) 比恒定，是實現(xiàn)三相電機變速工作的一個簡單方法,。?

?

??? 相比其他解決方案,，F(xiàn)PGA 成本較高，并缺乏交流電機控制所需的模擬外設(shè),，故一直以來都不在這些應(yīng)用的解決方案考慮范圍之內(nèi),。然而，新的高成本效益混合信號FPGA 能夠提供高度靈活的單芯片解決方案,，具備從單極永磁電機到大型三相交流電機等各種電機的電控實現(xiàn)所需的大部分資源,。?

?

??? 在每秒 600 k 的采樣率下，混合信號 FPGA 中的 ADC 大約比交流電機控制快 2到 3倍,，可以直接測量定子電流和轉(zhuǎn)子電流,，以確定轉(zhuǎn)速和位置。此外,，由于具有多達 30 個 ADC 輸入,，對每個線圈的反電動勢 (back-EMF)、總線電壓和電機中的任何其它條件進行采樣非常簡單,，只需連接器件做適當測量即可,。使用帶有集成式軟處理器 (如 32 位 ARM Cortex-M1 微處理器) 的混合信號 FPGA，允許以無傳感器正弦電流控制來構(gòu)建電機控制,，從而省去昂貴的傳感器,，進一步降低電控的成本。此外,，除了監(jiān)控總線電壓,、電機電流及速度之外，混合信號 FPGA 中的Cortex-M1 處理器還能夠進行診斷,。這種執(zhí)行診斷并在問題出現(xiàn)時予以智能響應(yīng)的能力,，可以顯著減少對電機的損害,，延長其壽命，進一步降低擁有成本,。?

?

??? 隨著新的電機技術(shù)和電機控制技術(shù)面世,，利用旋轉(zhuǎn)磁場的概念也在不斷進步。在許多應(yīng)用中,，負載和速度都是變化的,，故而矢量控制 (磁場導(dǎo)向) 獲得廣泛運用。由于這種技術(shù)不是基于電機的穩(wěn)態(tài)方程,，所以能夠處理眾多電機應(yīng)用中常見的變化工作條件,。矢量控制能夠響應(yīng)負載的變化來進行精確的速度控制，即使在電機轉(zhuǎn)換期間也可提供最佳的效率,。此外,，它還能夠以低速實現(xiàn)全部的電機轉(zhuǎn)矩能力。利用混合信號 FPGA 執(zhí)行矢量控制的優(yōu)點之一是可采用相同的器件,，只需少許變動,，針對某類電機采用適當?shù)哪Ｐ停憧梢钥刂贫喾N電機 (如永磁交流電機和無刷直流電機) (圖2),。?

?

??? 對于三相交流電機,，矢量算法必須以 1kHz 到 10kHz 的速度連續(xù)計算。在每個 120度相位角內(nèi),，短暫的時間里必需進行龐大數(shù)量的計算,，包括三角函數(shù)、比例－積分－微分 (proportional-integral-derivative, PID),、實時磁通量和轉(zhuǎn)矩接口函數(shù),。對采用矢量方案進行控制的交流電機而言，需要有功能強大的小型處理器,，能夠支持這些計算,，支持與應(yīng)用其余部分及用戶接口的通信。?

?

??? 在實際應(yīng)用中,，交流電機控制每個控制軸需要 8 到 20MIPS 的處理能力,，在混合信號 FPGA 中，利用一個 ARM Cortex-M1 處理器就可以輕松實現(xiàn),。這種組合可以在不到 6μs 的時間內(nèi)完成整個轉(zhuǎn)換,，包括電流的測量，從而達到每秒超過 165,000 次的轉(zhuǎn)換速度,，這足以滿足大多數(shù)交流電機控制應(yīng)用的要求,。除處理器之外，適當?shù)耐庠O(shè)對應(yīng)用也是十分重要的?？删幊踢壿嫵３Ｊ菍崿F(xiàn)各種用戶接口和數(shù)字控制邏輯的首選方案,，包括網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)接口、脈寬調(diào)制 (PWM),、正交編碼器接口以及傳感器輸入，這對于今天的電機控制系統(tǒng)是非常重要的,。利用混合信號FPGA,，處理器、存儲器和外設(shè)均可集成在單個器件內(nèi),，除了變頻模塊和電機本身,，將額外需要的組件減至最少，大大降低了電子成本,，成為對于多種電機設(shè)計頗具吸引力的解決方案,。?

?

??? 節(jié)能要求迫使工業(yè)制造商采用更多的高效電機，當中 500W 到 10kW 工業(yè)應(yīng)用電控電機是節(jié)能潛力最大的領(lǐng)域,。這個范圍之上的電機一般效率高出很多,，而這個范圍之內(nèi)的電機則極為廣泛地用于工業(yè)環(huán)境中。其中許多都以恒定速度工作,，且頻繁啟動和停止,，導(dǎo)致多達 50% 的能源被浪費掉。利用混合信號 FPGA 構(gòu)建,、并與分立式溝槽 IGBT 配合使用的電機控制器,，能夠在整個工作范圍獲得接近 95% 的效率。這意味著可以實現(xiàn)尺寸更小,、功率更低,、持續(xù)以更低速度運行的電機，而且電機還無需啟動和關(guān)斷,，從而可降低功耗和散熱量,，并減小電機噪聲。?

?

圖2：混合信號 FPGA 可為工業(yè)電機控制設(shè)計提供若干優(yōu)勢,，如組件數(shù)目更少,、成本更低、更易于制造,，以及更高的電機可靠性和效率

?