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现在的电机控制需要高性能和高效率,对控制精度和响应时间提出了更高的要求。基于异步电动机矢量控制的技术自70年代发明以来得到了极为广泛的应用。这种控制方法现已较成熟,已经产品化且产品质量稳定。但是因为这种方法采用了较复杂的坐标变换,所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。另外在对于一些考虑成本和周围环境的地方,无速度传感器技术也得到广泛重视。这无疑也对芯片的处理能力提出更高要求。随着现代控制理论、MCU/DSP/FPGA等半导体器件以及电力电子开关器件的迅速发展,实现高性能无速度传感器的矢量调速系统是未来电机控制市场的发展趋势。
MCU通常侧重于I/O接口的数量和可编程存储器的大小,非常适用于有大量的I/O操作的场合,所以广泛应用在低成本,低功耗和对精度要求不高的系统中。但由于本身处理能力有限,应用的场合受到了比较大的限制。DSP芯片内部集成了模/数转换、数字输入/输出、串口通信、电机控制PWM信号输出等接口,因此使得电机控制系统硬件设计灵活、简易,而且DSP比较擅长高速运算,所以一般用于相对高档的控制系统中,如伺服电机控制。FPGA则在高端电机应用中显示出卓越的性能,它实现了快速响应、多轴同时处理、灵活多样的外设接口、多种工业总线的支持。
对于电机控制提出的不同要求,FPGA芯片固有的可编程性和并行处理的特点十分适合于中高端的电机控制应用。由于它以纯硬件的方式进行并行处理,而且不占用CPU的资源,所以可以使系统达到很高的性能。当前电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化,现场也提出越来越苛刻的性能要求。因此客户有可能考虑自己开发专用的控制芯片,FPGA的可编程性正是可以满足这种需求。
目前大部分产品都把电流环控制作为DSP的一个协处理来考虑,而速度或位置环控制则由DSP芯片来实现。一般情况下,由于位置控制比较灵活,且差异性比较大,很难做到通用性,所以位置环一般由DSP来直接完成;但速度和电流环相对具有通用性,且互相关联紧密,以致高性能的速度控制都离不开电流控制,因此完全可以把它们集成到一个芯片中处理,这样既可以实现速度伺服控制,又可以单独进行电流控制,还可以和DSP共同构成位置伺服系统。赛灵思FPGA内部还提供了32位MCUMICROBLAZE,则可以进一步把位置、速度、电流三种控制全部由一片FPGA来实现,客户可以完全定制出一款满足特殊需要的SOC芯片。而且一旦试制成功如要大批量生产,还可以按照FPGA的设计直接定做ASIC芯片来降低成本。另外,FPGA在很多场合也充当MCU/DSP的协处理功能,在组合逻辑、总线和接口扩展方面也充当着十分重要的角色。
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