三大電機(jī)控制方案之FPGA篇：Actel Fusion

　　功率管理和熱管理

　　Fusion 器件具有 0 級(jí)上電即用 (LAPU) 功能，只需 3.3V 單電源便可運(yùn)行。由于啟動(dòng)要求不高，F(xiàn)usion 器件可充當(dāng)終極的系統(tǒng)管理器，能夠監(jiān)視和控制板上各個(gè)電源的上電順序。各個(gè)電源的電壓上升速率可通過(guò)Fusion 器件進(jìn)行編程。結(jié)合其溫度監(jiān)控功能和 MOSFET/PWM 性能，F(xiàn)usion 器件能輕易集成系統(tǒng)控制板的熱管理能力。

　　動(dòng)態(tài)系統(tǒng)配置

　　Fusion 器件可將多項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)功能集成在一個(gè)單芯片中，因而成為許多前沿系統(tǒng)管理協(xié)議的理想載體。

　　低功耗

　　基于采用低功耗、高性能的Flash內(nèi)存工藝，F(xiàn)usion 器件提供業(yè)界領(lǐng)先的低靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗。Fusion 器件還具有多項(xiàng)睡眠和待機(jī)工作模式，進(jìn)一步延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的電池壽命。Fusion 器件的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC) 能實(shí)現(xiàn)各種功能，如睡眠、待機(jī)、定期喚醒、低速或低功耗運(yùn)行。此外，它還配有 1% RC 振蕩器和雙引腳晶體振蕩器電路，能夠省去昂貴的外部時(shí)鐘源。

　　重新配置系統(tǒng)

　　Fusion 器件架構(gòu)繼承了 Microsemi 成功的 ProASIC?3 系列 Flash PGA的可配置性和現(xiàn)場(chǎng)可編程性?xún)?yōu)勢(shì)，能在制造過(guò)程中或制造完成后在現(xiàn)場(chǎng)安全地進(jìn)行編程。由于Fusion 器件可以在單一硬件平臺(tái)支持多種項(xiàng)目和產(chǎn)品，因此能讓設(shè)計(jì)人員享有批量采購(gòu)器件的優(yōu)勢(shì)，并同時(shí)針對(duì)不同市場(chǎng)進(jìn)行產(chǎn)品的定制設(shè)計(jì)。而固件 (Flash 內(nèi)存) 和硬件的更新都能在一個(gè)步驟中完成。

　　Actel Fusion FPGA的無(wú)刷電機(jī)(BLDC)控制

　　1 前言

　　無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)具有體積小，無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，一直都是電機(jī)應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。目前無(wú)刷電機(jī)控制基本上都是采用霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)子位置反饋元件，但位置傳感器的存在不僅增加了電機(jī)的體積和成本，很大程度上還成為電機(jī)的故障源之一，使系統(tǒng)可靠性降低。所以無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)控制方案業(yè)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

　　近年來(lái)，采用數(shù)字控制的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，已逐漸成為今后無(wú)刷電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)。在此采用Actel公司的Fusion系列混合信號(hào) FPGA為控制器核心，設(shè)計(jì)了一款無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)控制器。采用Fusion內(nèi)部特有的12位多路高速A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)，使用內(nèi)嵌的51軟核實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制算法，成功實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方案，具有系統(tǒng)硬件方案簡(jiǎn)單，集成度高，可靠性好，調(diào)速精度高等優(yōu)點(diǎn)。

　　2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　2.1 Fusion FPGA簡(jiǎn)介

　　Actel Fusion系列器件是業(yè)界首款也是唯一具有模擬功能的Flash架構(gòu)的FPGA，融合了FPGA數(shù)字內(nèi)核、A/D轉(zhuǎn)換器、Flash存儲(chǔ)器、模擬的I /0、RTC等數(shù)字和模擬器件。Fusion器件內(nèi)部具有2～8 Mbit不等的用戶(hù)可用Flash存儲(chǔ)器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks/s采樣率的A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)100 MHz的RC振蕩器與PLL(鎖相環(huán))一起共同為FPGA提供時(shí)鐘，以節(jié)省外部時(shí)鐘的開(kāi)銷(xiāo)。這些特點(diǎn)極大地提高了該系列FPGA器件的功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大幅度減少了電路板面積和系統(tǒng)總成本。當(dāng)Fusion系列FPGA器件結(jié)合8051，CortexMl，ARM7等軟件MCU核時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)真正的 SoC系統(tǒng)。Actel Fusion系列FPGA器件是迄今為止最全面的單芯片模擬與數(shù)字可編程邏輯系統(tǒng)的解決方案。

　　2.2 控制器方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)無(wú)刷電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法原理，結(jié)合Actel FusionFPGA的內(nèi)部功能特性，設(shè)計(jì)了圖1所示的無(wú)刷電機(jī)控制方案。

　　在該設(shè)計(jì)方案中，F(xiàn)usion AFS600作為控制器核心，用內(nèi)嵌的軟核8051 MCU實(shí)現(xiàn)控制算法，高速12位A/D轉(zhuǎn)換器分別檢測(cè)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)和外部電位器設(shè)定電壓。電位器設(shè)定電壓用于確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過(guò) FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)LCD液晶屏接口，用于顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速。此外一個(gè)重要的模塊是三相PWM波形發(fā)生模塊，通過(guò)可編程計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。PLL模塊用于向單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器和PWM模塊提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。

　　外圍電路主要包括：LCDl602字符型液晶顯示器、設(shè)定轉(zhuǎn)速的電位器和無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用A3935三相全橋器件配合6個(gè)大功率NMOS管IRF2807S實(shí)現(xiàn)完整的無(wú)刷電機(jī)控制方案。每項(xiàng)繞組的反電動(dòng)勢(shì)通過(guò)串聯(lián)電阻分壓并濾波再送入Fusion AFS600內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器。A3935是一款汽車(chē)級(jí)三相功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，特別適用于無(wú)刷電機(jī)控制，具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱、短路和開(kāi)路監(jiān)控功能，功能強(qiáng)，可靠性高等功能。

　　2.3 三相PWM產(chǎn)生

　　設(shè)計(jì)方案中采用Fusion的邏輯門(mén)電路實(shí)現(xiàn)了PWM頻率和占空比可連續(xù)調(diào)節(jié)的PWM發(fā)生模塊。其中，設(shè)定的頻率參數(shù)和占空比可根據(jù) A/D轉(zhuǎn)換器采集的電位器電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的參數(shù)值，只要調(diào)節(jié)外部電位器就能產(chǎn)生6路占空比可調(diào)的PWM信號(hào)波形。下面給出的相關(guān)代碼是采用 VerilogHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的一部分三相PWM的源碼。圖2示出用示波器測(cè)出的其中兩路PWM信號(hào)波形。