隨著市場需求的日益嚴苛，運動控制系統也變得越來越復雜。對更高能效、更多功能、更小尺寸和更高集成度的要求不斷增長，促使設計人員找尋更具創新性的解決方案。至今為止，市面上的解決方案都涉及在數字信號處理器或微控制器中執行的控制算法。
不過，對于復雜電機控制算法(如磁場定向控制)，要獲得所需的響應時間，常常需要硬件加速。此外，還需要模擬電路來讀取傳感器數據，確定位置和速度，檢測故障，監控溫度等等；而且需要數字線路來連接系統的其余部分。而利用分立器件實現的解決方案在可靠性、集成度和成本方面又不盡如人意。一直以來，設計人員都在尋找一種能夠滿足所有這些要求的單芯片解決方案，而現在，SmartFusion混合信號FPGA的推出終使設計人員的這一需求得到滿足。
在對更高能效、更小尺寸和額外屬性(如平滑度和精度)等需求的推動之下，越來越多的應用開始采用同步電機，如無刷直流電機(BLDC)和永磁同步電機(PMSM)。為充分利用同步電機在效率、靜音工作和精度方面的優勢，設計人員需要找到能夠超越簡單8位/16位微控制器所提供的、更具創新性的控制解決方案。這些解決方案采用的微控制器可能需要利用FPGA、高性能數字信號處理器(DSP)或數字信號控制器(DSC)等專用處理器來實現硬件加速。
為了準確地控制電機，控制器必須從傳感器采集電機數據，基于反饋計算下一個命令，并根據計算結果控制電源。此外，任何運動控制系統都必須處理一些額外負載，例如與其它系統的通信。
促使控制功能日益復雜的市場壓力同樣也在推動對單芯片運動控制解決方案的需求。美高森美(Microsemi)公司推出的SmartFusion正是能夠滿足這一需求的單芯片器件，它集成了一個ARM Cortex-M3微控制器內核、高性能FPGA結構和可配置模擬資源，可實現業界首款單芯片運動控制解決方案。
運動控制的發展方向
在客戶需求和規范要求的雙重推動之下，提高運動控制的性能成為工業、醫療和消費電子領域眾多設計團隊的首要目標。這些設計團隊逐漸認識到，更先進完善的電機控制方案有助于大幅提高電機在轉矩、速度、馬力和效率等方面的性能。
對于眾多要求不高的應用，簡單的控制體系仍然足以敷用，但對開發更復雜先進產品的設計團隊來說，卻面臨著必須采用先進的算法來控制PMSM和交流電機的挑戰。這些具挑戰性的電機控制算法常常本身就十分復雜，并需要硬件執行，以減少計算時間，縮短響應時間。此外，必須同時結合模擬和數字領域的反饋，才能準確評估出當前電機狀態。
這樣的設計通常是多軸的，需要同時控制好幾個電機，以驅動三維空間定義的機械系統(如機械手)。事實已證明，要實現這種程度的實時控制，其實已超出了任何單個現有器件的能力范圍。
例如，PMSM(有時被稱為無刷交流電機)就帶來了一個復雜的控制問題。一般而言，使用PMSM的設計人員瞄準的目標都是超高水平的轉矩控制、平滑運動、精度、效率等。不過，以實現這些特性的方式來控制PMSM是一項復雜的任務。PMSM不同于其同類產品(如梯形換向無刷直流電機)，它的控制器必須執行復雜的正弦換向算法才能實現這些出色的特性。而SmartFusion的面世使得這種解決方案成為可能。
SmartFusion器件
美高森美公司的SmartFusion器件整合了下一代運動控制系統設計人員所要求的三大要素：高性能微控制器、高密度FPGA架構以及可編程模擬資源，所有這些都集成在單個封裝中，從而使得設計人員能夠同時獲得高集成度和低成本的優勢。
1.處理器內核
SmartFusion器件(圖1)的核心是一個嵌入式ARM Cortex-M3處理器內核。M3是全球最流行的32位處理器之一，它的嵌入標志著32位處理器與FPGA架構的第一次結合。除了支持實時操作系統(RTOS)運行的存儲保護單元(MPU)之外，該內核還包含有一個嵌套向量中斷控制器(NVIC)，它能夠處理151個帶有32個優先級的離散的中斷。這個32位RISC處理器具有單周期乘法器和硬件除法器，能夠提供大約125DMIPS的性能。
圖1：SmartFusion的模塊示意圖。
Cortex-M3內核周圍是許多集成式外設：SPI、I2C、UART串行端口、高達512KB的嵌入式閃存ROM、10/100以太網MAC、定時器、鎖相環、振蕩器、實時計數器，以及外設DMA控制器。
該處理器與其外設經由一個被稱作ABM的多層先進高性能總線(AHB)矩陣互連，ABM還能為處理器及其外設提供與FPGA架構和嵌入式模擬功能通信的路徑。
2. 可編程模擬技術
每個SmartFusion器件都包含多達3個12位逐次逼近寄存器(SAR)模數轉換器(ADC)，12位模式下可工作在500Ksps(10位模式下為550ksps，8位模式下為600ksps)。為處理另一方向的信號，其中每個ADC都配備一個一階sigma-delta數模轉換器(DAC)，可在500Ksps下提供12位有效分辨率。
為進一步增強ADC的功能，每個器件還集成了多達5個高性能模擬信號調節模塊(SCB)。每一個SCB包含2個雙極型高壓監控器(精度1%)、1個高增益電流監控器、1個溫度監控器(分辨率為0.25°C)，以及2個高速比較器。
SmartFusion包含一個創新的模擬計算引擎(ACE)，可以分擔嵌入式Cortex-M3處理器的底層初始化和模擬前端(AFE)控制等任務。ACE相當于第二個處理器，能夠逐個樣本或在一定預設時間后自動調節ADC的分辨率。該引擎還能夠隨時間自動提高或降低ADC的分辨率，或者延遲從一個ADC通道到另一個通道的采樣。
3. 靈活的FPGA架構
SmartFusion的架構能夠同時訪問微控制器子系統和模擬計算引擎。SmartFusion架構基于已獲驗證的ProASIC 3閃存系列FPGA架構，可為用戶提供多達50萬個系統邏輯門和108kb嵌入式RAM。
這種高度靈活的架構可通過AHB總線矩陣與微控制器子系統通信。由于該架構可作為總線的從結點或主結點，故其內部實現的功能可以從屬于處理器。
用戶可以利用這些豐富的資源來構建額外的外設與定制功能。用戶還能夠訪問美高森美公司的DirectCore庫(包含50多個不同IP模塊)以及由獨立第三方供應商開發的其它IP模塊。
4. 基于已獲驗證的閃存技術
SmartFusion架構采用美高森美公司的CMOS閃存工藝建立。因此，SmartFusion器件具有閃存技術為可編程器件提供的所有優勢，如低功耗和固件錯誤免疫力。對嵌入式設計人員而言，重點在于SmartFusion器件是非易失性的，從而可提供一種真正的上電即行單芯片解決方案，而這一點對任何真正的系統級芯片(SoC)解決方案來說都是必需的。
一個復雜示例：永磁同步電機
最常見的PMSM控制技術是向量或磁場定向控制(FOC)技術。在磁場定向控制中，在任何指定時間定子電流都被控制在與轉子磁場成90度，以獲得最大轉矩。因此，FOC需要計算大量的向量變換(例如Clarke和Park變換)，以精確判斷當前的電機狀態。除FOC之外，還需執行空間向量脈寬調制(space vector pulse-width modulation, SVPWM)，相比傳統的脈寬調制(PWM)方法，它可以減少諧波，提高效率。
這種算法的早期實現方案是采用專用集成電路(ASIC)來實現的，后來則使用數字信號處理器(DSP)。ASIC方案雖然集成度很高，但成本高昂，目前不再使用。DSP可以實現低成本高速控制，但整個解決方案需要大量支持器件才能完成。最近有一類新的控制器面市，即數字信號控制器(DSC)。DSC基本上就是具備了DSP功能(如乘法累加功能)的微控制器。盡管DSC可以為設計人員提供更高的集成度，但它們的功能仍然十分有限。一些更復雜的系統要求每個電機配備一個DSC，另外還需要額外的功能。
圖2說明了如何利用SmartFusion資源來實現一個FOC算法。Park、Clarke和逆向Clarke變換可用軟件在嵌入式Cortex-M上執行。或者，這三項任務也可以從處理器中卸載下來并采用硬件執行，以實現對這些功能的進一步加速。比例積分(PI)調節器、空間向量PWM和角度計算等專用功能可通過SmartFusion FPGA架構中的硬件實現而得到大幅加速。一些額外的功能(如電流和電壓感測)也可以在SmartFusion的可配置模擬模塊中執行。
圖2：在SmartFusion中實現的FOC。
運動控制系統不僅限于電機控制。這種控制必須與系統的其余部分進行通信，此外還需處理額外的需求，如控制致動器和螺線管，甚至控制額外的電機。由于SmartFusion器件提供了豐富的FPGA邏輯資源，以及微控制器和可配置模擬模塊，因此它們具有實現整個系統的資源。
本文小結
采用SmartFusion器件，運動控制系統的設計人員現在就有機會開發出控制更復雜電機的單芯片解決方案。利用一個帶有單周期乘法、32個優先級的中斷以及大量外設的嵌入式32位ARM Cortex-M3處理器，SmartFusion混合信號FPGA可提供眾多DSC功能；除此之外，它的另一項額外優勢是能夠對FPGA架構中執行的一些功能進行硬件加速，從而為其它用戶功能留出大量余裕。另外，SmartFusion器件配備了充足的外設，用于低速通信(SPI、I2C和UART)和高速通信(10/100以太網MAC)，以及系統其余部分的連接。將這些功能與可配置模擬功能結合起來，就催生出了業界首款單芯片運動控制器SmartFusion。 |
