运动控制和混合信号FPGA

随着电子元件的性能和集成度不断提高而价格却不断降低，电子控制单元的发展正一日千里。随着各种技术和应用大量涌现，从家电领域到工业自动化生产线，大家关注的重点还是在增加设计和提高电源效率的同时能减少设计、开发和整体的系统成本。

与此同时，运动控制应用的复杂程度也越来越高，已从简单的开/关型控制向在高度集成环境中具备精确控制的可变速应用发展。无论是交流、直流、有刷和无刷电机的各种控制电路主要由三部分构成：人机界面、微控制器(MCU) 和控制逻辑。对于闭环运动控制，传感器接口是外加的一个元件(图1)。将运动控制逻辑纳入数字领域可以实现分布式环境控制。运动控制电子和分布网络的配合可在车间实现多种新功能，包括远程管理；适应不断变化的协议；性能监视；以及按期进行维护。



图1：传统运动控制实现方法需要多个分立元件。这种闭环运动控制系统使用一个网络接口、微控制器、模拟器件、霍耳 (hall) 传感器接口和控制逻辑。

举例说，当今汽车制造业广泛使用由步进电机驱动的机械手。机械手系统使得分布式控制更为复杂，而不同的机械手要同时在几个车辆上安装不同的零件。系统设计人员主要的挑战之一是要通过局域网络实现各个机械手和其他自动化设备的同步。更复杂的是，远程管理功能(如监视、数据共享和远程配置) 对复杂的中央控制拓扑结构往往非常关键，也就是说，必需有一个有效的分布控制机制。

随着半导体工艺和集成度的提高，现场可编程门阵列(FPGA) 已成为许多电子运动控制应用的重要替代平台。FPGA的发展迅猛，在许多应用领域中替代了特定用途集成电路(ASIC)。非易失性FPGA是具成本效益的ASIC替代方案，不存在采用ASIC时涉及开发成本高和开发时间长的问题。而且，利用FPGA替代固定的逻辑，设计人员无论在设计阶段还是在应用现场，都可以高效、可靠地实现产品升级及定制功能。

以Flash 为基础的混合信号FPGA (如Actel Fusion PSC) 能在单芯片上实现前所未有的集成度。因此，这类器件可替代多个分立元件，能使成本和占用板卡空间减少最少50%，同时又能维持系统的可靠性(图2)。而且，混合信号器件上集成的Flash 内存可以让设计人员存储设计文档，不象那些以SRAM为基础的FPGA需要另外配置PROM。此外，与其他可重编程FPGA解决方案一样，可配置和灵活的混合信号FPGA器件可以在开发过程中甚至应用之后，轻易进行设计变更。

众所周知，FPGA能通过并行处理加快数学运算，使它成为实现电机控制逻辑的理想选择。FPGA能执行更严格的控制环，因此提供更佳的控制和更少的波动和噪声。设计人员还能在集成了Flash 内存的混合信号FPGA中集成软处理器核，从片上存储器直接运行，从而紧密地配合控制逻辑和中断驱动程序的需要。由于设计中的逻辑门数量和类型及控制逻辑的功能因应用而有所不同，即基于性能要求而定；因此，可编程逻辑往往最适合于实现各种用户接口和数字控制逻辑，包括网络和外设接口、脉冲宽度调制(PWM)，以及正交编码器接口和传感器输入；这对当今的运动控制系统都非常重要。

网络和外设接口

在运动控制系统中，网络和外设接口可让用户发出指令对逻辑电路进行初始化、配置和控制，并且远程管理控制系统。根据功能和拓扑结构的不同，每个运动控制系统的网络和外设接口都可能会采取独特的实现方式，但有一点共同的是，都会利用接口来提高系统的可访问性。

目前已经有各种各样的工业标准接口，如用于本地访问的通用串行总线(USB)、基于RS232的串口和控制器局域网(CAN) 接口，以及基于TCP/IP网络协议的10/100以太网。在苛刻的环境下，如汽车制造车间，可能还需要无线网络接口。这种接口可在制造车间内实现系统同步、数据共享、状态监视和故障报警。此外，基于TCP/IP的网络接口则用于延长由任何距离远程访问中央制造控制设施的能力。



图2：Actel Fusion PSC能在单芯片上为运动控制系统实现前所未有的功能集成，将可配置模拟、大容量 Flash 内存模块、周全的时钟生成和管理电路，以及高性能的可编程逻辑全部集成在单芯片中。这个架构体系可与Actel的ARM或 8051软核和其它针对具体应用开发的IP核 (如脉冲宽度调制器) 同用。

在许多情况下，工业自动化应用都需要特殊的控制算法和装置来完成特殊的任务。为实现这些标准接口无法提供的功能，需要考虑采用专门的接口。为了充分发挥某个分布控制系统的潜力，标准接口或专门的网络协议都必须加到板卡级中，或嵌入到可编程逻辑内。而FPGA是将所有接口集成在一起的最佳平台。特别是，当今的混合信号FPGA器件具有模拟前端，能支持种类众多的用户输入，以及实现运动控制所需的电压、电流和温度监视功能。