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??? 混合信號 FPGA 是工業(yè)電機(jī)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(shí)現(xiàn)各種類型的電機(jī)設(shè)計(jì)。?

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圖1：對于單相和三相電機(jī)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。?

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

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??? 盡管增加電機(jī)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(shí)現(xiàn)。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)和集成化技術(shù)的進(jìn)步，混合信號現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)作為電機(jī)控制的重要選擇方案應(yīng)運(yùn)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(jī)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(jì)人員得以靈活地針對應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最高效的設(shè)計(jì)，并能夠在各種各樣的電機(jī)控制應(yīng)用中采用相同的器件。?

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??? 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(fù)載匹配或變速控制，只需增加極少的電機(jī)成本就可以在全范圍內(nèi)提高電機(jī)的功效。事實(shí)上，結(jié)合最佳實(shí)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(jī)效率達(dá)到接近 95%。若廣泛采用電子式電機(jī)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。?

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??? 當(dāng) AC 電機(jī)接近滿負(fù)載工作時(shí)，它的效率可以達(dá)到 90% 以上。不過，很少有電機(jī)一直都在滿負(fù)載情況下工作，這是因?yàn)樨?fù)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(fèi)能源。一般來說，電機(jī)比它所驅(qū)動的負(fù)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(jī)根據(jù)了最大的負(fù)載量而設(shè)計(jì)，但它的負(fù)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(jì)的，可大多時(shí)候自動扶梯上的人數(shù)遠(yuǎn)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(fèi)。而有了電機(jī)控制，就可以對負(fù)載進(jìn)行連續(xù)的智能感測，準(zhǔn)確匹配相應(yīng)的輸入功率，在整個(gè)工作范圍上最大限度地提高電機(jī)的效率，最大限度地減小功耗和運(yùn)行成本。哪怕負(fù)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(shí)不影響電機(jī)的速度。實(shí)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(jī)的功率大小，使其保持在理想的負(fù)載條件之下工作。?

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?? 交流電機(jī)的轉(zhuǎn)換不一定必需更換掉目前所用的所有電機(jī)，這需要大量的成本。美國能源部估計(jì)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(jī)。每年有多達(dá) 60 萬部電機(jī)出現(xiàn)故障需要更換，因此電機(jī)更換一直在不斷進(jìn)行中，這意味著在未來　20年間，大多數(shù) 1 匹以上的電機(jī)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(jī)替換所有這類電機(jī)，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(fù)載匹配是絕佳的解決方案?？上У氖?，并非所有采用交流電機(jī)的應(yīng)用都能以恒定速度工作。對于適合已知負(fù)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(dāng)前條件相應(yīng)改變電機(jī)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(shí)現(xiàn)三相電機(jī)變速工作的一個(gè)簡單方法。?

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??? 相比其他解決方案，F(xiàn)PGA 成本較高，并缺乏交流電機(jī)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(jī)到大型三相交流電機(jī)等各種電機(jī)的電控實(shí)現(xiàn)所需的大部分資源。?

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??? 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(jī)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(dá) 30 個(gè) ADC 輸入，對每個(gè)線圈的反電動勢 (back-EMF)、總線電壓和電機(jī)中的任何其它條件進(jìn)行采樣非常簡單，只需連接器件做適當(dāng)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(jī)控制，從而省去昂貴的傳感器，進(jìn)一步降低電控的成本。此外，除了監(jiān)控總線電壓、電機(jī)電流及速度之外，混合信號 FPGA 中的Cortex-M1 處理器還能夠進(jìn)行診斷。這種執(zhí)行診斷并在問題出現(xiàn)時(shí)予以智能響應(yīng)的能力，可以顯著減少對電機(jī)的損害，延長其壽命，進(jìn)一步降低擁有成本。?

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??? 隨著新的電機(jī)技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)面世，利用旋轉(zhuǎn)磁場的概念也在不斷進(jìn)步。在許多應(yīng)用中，負(fù)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(yùn)用。由于這種技術(shù)不是基于電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程，所以能夠處理眾多電機(jī)應(yīng)用中常見的變化工作條件。矢量控制能夠響應(yīng)負(fù)載的變化來進(jìn)行精確的速度控制，即使在電機(jī)轉(zhuǎn)換期間也可提供最佳的效率。此外，它還能夠以低速實(shí)現(xiàn)全部的電機(jī)轉(zhuǎn)矩能力。利用混合信號 FPGA 執(zhí)行矢量控制的優(yōu)點(diǎn)之一是可采用相同的器件，只需少許變動，針對某類電機(jī)采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，便可以控制多種電機(jī) (如永磁交流電機(jī)和無刷直流電機(jī)) (圖2)。?

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

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??? 在實(shí)際應(yīng)用中，交流電機(jī)控制每個(gè)控制軸需要 8 到 20MIPS 的處理能力，在混合信號 FPGA 中，利用一個(gè) ARM Cortex-M1 處理器就可以輕松實(shí)現(xiàn)。這種組合可以在不到 6μs 的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)轉(zhuǎn)換，包括電流的測量，從而達(dá)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(jī)控制應(yīng)用的要求。除處理器之外，適當(dāng)?shù)耐庠O(shè)對應(yīng)用也是十分重要的。可編程邏輯常常是實(shí)現(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(jī)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(gè)器件內(nèi)，除了變頻模塊和電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)頗具吸引力的解決方案。?

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??? 節(jié)能要求迫使工業(yè)制造商采用更多的高效電機(jī)，當(dāng)中 500W 到 10kW 工業(yè)應(yīng)用電控電機(jī)是節(jié)能潛力最大的領(lǐng)域。這個(gè)范圍之上的電機(jī)一般效率高出很多，而這個(gè)范圍之內(nèi)的電機(jī)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(dá) 50% 的能源被浪費(fèi)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(jī)控制器，能夠在整個(gè)工作范圍獲得接近 95% 的效率。這意味著可以實(shí)現(xiàn)尺寸更小、功率更低、持續(xù)以更低速度運(yùn)行的電機(jī)，而且電機(jī)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(jī)噪聲。?

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圖2：混合信號 FPGA 可為工業(yè)電機(jī)控制設(shè)計(jì)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(jī)可靠性和效率

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