没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
Altera的FPGA在电机控制领域有着广泛的应用,通过灵活的硬件配置和高效的处理能力,能够实现复杂控制算法,提升电机控制系统的性能和效率。对于工程师来说,掌握这些知识不仅有助于提升专业技能,还能在实际项目中发挥关键作用
资源推荐
资源详情
资源评论
2011 年 4 月 Altera 公司
WP-01162-1.0 白皮书
订阅
版权 © 2011 Altera 公司。保留所有权利。 ALTERA、 ARRIA、 CYCLONE、 HARDCOPY、 MAX、
MEGACORE、NIOS、QUARTUS 以及 STRATIX 均在美国专利和商标事务所进行了注册,是 Altera 公司在美
国和其他国家的商标。所有其他商标或者服务标记的所有权属于其各自持有人,
www.altera.com/common/legal.html 对此进行了解释。Altera 保证当前规范下的半导体产品性能与 Altera 标
准质保一致,但是保留对产品和服务在没有事先通知时的升级变更权利。除非与 Altera 公司的书面条款完全一
致,否则 Altera 不承担由此处所述信息、产品或者服务导致的责任。 Altera 建议客户在决定购买产品或者服
务,以及确信任何公开信息之前,阅读 Altera 最新版的器件规范说明。
101 Innovation Drive
San Jose, CA 95134
www.altera.com
反馈
采用集成 FPGA 设计流程优化
电机控制设计
本文档推荐一种设计流程,它在电机控制设计中利用了 Altera FPGA 强大的适应能力、
精度可调 DSP 以及集成系统设计工具。工业电机驱动设备的设计人员可以充分发挥这
一设计流程的性能、集成和效率优势。
引言
在工业能耗中,三分之二以上的能耗来自工业电机驱动设备,因此,在工厂费用开支
中,高效的电气特性是非常重要的因素。在电机驱动系统中采用速率可变驱动器 (VSD)
来替代传统的驱动器能够显著提高效率,能耗节省了近 40%。Altera 的 FPGA 体系结构
具有图1所示的灵活性、性能、集成以及设计流程优势,是 VSD 系统的高效平台:
■ 调整性能——通过并行处理以及灵活的功能进一步提高各种类型电机的性能和
效率。设计集成——在一片器件中集成嵌入式处理器、编码器接口、DSP 运动控
制算法以及工业网络。
■ 灵活的设计——重新使用 IP,采用精度可调 DSP 模块。在控制通路的任意部分都
可以实现定点或者浮点精度。
■ 确定性延时——在硬件中实现电机算法以及确定性操作。
图 1. 电机控制 FPGA 优化设计流程
Model
Algorithm
Matlab/Simulink
●
Model System
●
Develop
Algorithm
DSP Builder
Optimize
Implementation
●
Optimize Algorithm
●
Logic Folding
●
Floating and
Fixed Point
●
DSP Block HDL
output
SOPC Builder/Qsys
Integrate
●
System Integration
●
Embedded
Processors
●
Networking and
Interface IP
Compile
Design
●
HDL Synthesis
●
Fitting
●
Program File
Generation
Quartus II
FPGA
Chip
Placement
性能调整和集成优势 第 2 页
2011 年 4 月 Altera 公司 采用集成 FPGA 设计流程优化电机控制设计
■ 功能强大而又流畅的工具——使用 Simulink 等建模工具,结合 Altera 的 DSP
Builder 以及 Qsys 或者 SOPC Builder 通用集成工具,优化低成本 FPGA 中的全
电机系统。虽然通常使用商用微控制器 (MCU) 或者数字信号处理器 (DSP) 来实
现处理和控制环,监控负载并调整位置、速度和其他驱动功能,但是,微控制
器不够灵活,在性能上也有限制。在算法非常复杂的系统中,需要较高的 MIPS
处理能力,这些缺点尤其明显。而且,在软件中编写代码很难实现硬件最优系
统。
同样的,虽然高端 DSP 一般能够处理电机控制计算功能,但是,高端 DSP 并不适用于
需要同时处理高精度时间运算以及面向任务运算的系统,例如,存储器接口、信号接
口和滤波,或者支持工业以太网协议标准等。
性能调整和集成优势
很多商用 MCU 或者 DSP 具有通用驱动工作基本单元。但是,这些器件存储器有限,模
拟范围较窄,PWM 通道数量有限,对多轴系统的支持不足。下一代驱动功能对性能的要
求更高,需要提高电机效率,所采用的平台应具有性能调整功能,以满足处理和 DSP
需求,同时能够灵活的集成并优化系统。
FPGA 很容易根据应用需求来调整性能。设计人员可以在 FPGA 中嵌入多个处理器或者使
用灵活的 DSP 功能,然后,采用其他的逻辑、定制指令或者所支持的多种工业网络协
议。设计人员利用 Altera FPGA 可以实现多种嵌入式处理器,分别控制每一个子系统。
Altera FPGA 的并行特性支持电机控制系统构建模块的集成。例如,Altera Nios II
嵌入式处理器 (32 位 RISC 软核处理器 ) 可以控制各种接口以及传感器和编码器。设计
人员可以使用精度可调浮点 DSP 模块完成现场定位控制 (FOC) 或者其他需要大量数学
计算的算法。
图2所示为能够集成到 FPGA 中的各种单元,用于建立一个 “单芯片驱动”系统。集成
IP 功能能够并行运行,保证了在顺序操作或者延时操作中不会出现瓶颈。
图 2.FOC 模型包括复杂数学算法
DSP Builder SOPC Builder
Nios II Processor
Motion Control DSP
PHY
PWM
Industrial Ethernet
Industrial
Ethernet
IGBT
Control I/F
ADC I/F
Position
Encoder I/F
Motor
Encoder
∑
∆ A/D
Converters
Power
Stage
处理复杂数学算法 第 3 页
2011 年 4 月 Altera 公司 采用集成 FPGA 设计流程优化电机控制设计
这一设计流程支持 IP 的集成,包括:
■ 位置反馈——具有高精度位置反馈功能的编码器,例如,EnDAT、Hiperface,
以及 BiSS,支持 10 倍速和位置数据。
■ IGBT 控制——使用绝缘栅极双极晶体管 (IGBT),切换到驱动 AC 电机所需要的高
电压。在 FPGA 中使用空间矢量调制 (SVM) 技术,对 IGBT 栅极输入进行脉冲宽
度调制 (PWM),产生驱动电机所需要的正弦电压波形。IGBT 可以是 2 级或者 3
级变量。
■ ADC 接口——与外部模数转换器 (ADC) 连接,测量电机的反馈电流。很容易将
Sigma-delta ADC 与大驱动电压实现光电隔离,降低噪声,支持 FPGA 对其输出
进行采样,实现快速精确的读取操作。
■ 网络接口——在 FPGA 中实现实时协议,以适应实际应用所需要的工业以太网协
议标准,例如,Ethernet/IP、PROFINET IO/IRT 和 EtherCAT。工业以太网在工
业驱动中的应用越来越广泛。
这些基于 DSP 的电机控制功能、通信以及接口标准的大量应用使得 FPGA 成为工业电机
驱动的理想平台。
处理复杂数学算法
各种驱动技术的差别很大,具体取决于电机类型及其应用。例如,控制电泵和风扇的
驱动器有不同的要求和反馈机制,以便控制 CNC 电机或者封装设备。从这些编码器和
传感器中采集到的数据被反馈到控制系统中,用于进行数学计算,以确定目标系统负
载和扭矩的电压电平。
例如,常用的永磁体同步电机 (PMSM) 使用需要大量数学算法的现场定位控制 (FOC) 功
能作为控制环算法的一部分,该功能也称为矢量控制。在需要精确扭矩控制的工业伺
服电机中,也经常采用 FOC。FOC 技术有助于减小电机体积、成本和功耗。FOC 精确的
测量电压电平以及相应的电机速度,更好的控制速度和扭矩,即使负载变化了也能够
提供恒定扭矩。FOC 还减小了扭矩波纹和电磁干扰。但是,如图3所示,这一数学模型
非常复杂,高速运行这一算法时需要很强的计算能力。
剩余12页未读,继续阅读
资源评论
_SEVEN_007
- 粉丝: 0
- 资源: 1
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
最新资源
资源上传下载、课程学习等过程中有任何疑问或建议,欢迎提出宝贵意见哦~我们会及时处理!
点击此处反馈
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功