運(yùn)動(dòng)控制和混合信號(hào)FPGA

　　脈沖寬度調(diào)制(PWM)

　　PWM邏輯并不是所有運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用都適用的方案。由于不同電機(jī)的繞組圈數(shù)、額定電壓/電流、扭矩曲線和其他參數(shù)的差異很大，因此每種PWM系統(tǒng)都需要對(duì)這些差異加以考慮。在PWM控制的系統(tǒng)中，施加電壓的順序決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在給定繞組電感下，占空比(或者說(shuō)脈沖頻率和脈沖串長(zhǎng)度) 決定了電機(jī)的峰值電流和磁通量(即其扭矩大小)。機(jī)械動(dòng)量和繞組電感(部分由繞組圈數(shù)所決定) 會(huì)使PWM電壓變得平滑。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路的加壓順序、頻率和占空比，PWM 系統(tǒng)就可控制方向、速度和平均扭矩。利用FPGA 器件，設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建最適合系統(tǒng)要求的PWM方案，而不必非得采用傳統(tǒng)的MCU/DSP方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　正交編碼器接口(QEI)

　　大多數(shù)高精度電機(jī)(如用于機(jī)械手的伺服步進(jìn)電機(jī)) 都支持正交編碼器接口。控制系統(tǒng)必需提供正交編碼器接口邏輯來(lái)精確電機(jī)速度、位置和加速。當(dāng)然，采用可編程邏輯技術(shù)便可在各種模式下取決于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中采用的電機(jī)特性，精確并動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)速度。

　　傳感器輸入

　　對(duì)于閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，需要有轉(zhuǎn)子位置和/或轉(zhuǎn)數(shù)輸入。這些輸入可以是內(nèi)置的霍耳效應(yīng)傳感器或外接的光學(xué)位置編碼器、同步解析器或磁感應(yīng)傳感器。利用集成的模擬前端，混合信號(hào)FPGA將提供更加集成的解決方案，能夠減少部件數(shù)、降低系統(tǒng)成本和提高可靠性。

　　可靠性和系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間

　　對(duì)于今天的電子系統(tǒng)，高性能、低集成成本和快速診斷能力非常關(guān)鍵。診斷和預(yù)報(bào)，即確定故障類型并作出預(yù)報(bào)的功能，在系統(tǒng)管理中的重要性越來(lái)越高。讀取帶有時(shí)間標(biāo)記系統(tǒng)參數(shù)的各種板卡運(yùn)行的功能或事后分析故障的功能對(duì)于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是無(wú)價(jià)之寶。同樣地，能構(gòu)建出一個(gè)"黑匣子"將為查找故障類型和設(shè)計(jì)缺陷節(jié)省寶貴的時(shí)間和精力。

　　混合信號(hào)FPGA的片上Flash 內(nèi)存可保存關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)，并對(duì)其作時(shí)間標(biāo)記，如電源線路電流消耗、器件溫度和電壓波動(dòng)等。這些數(shù)據(jù)不僅可用于事后故障分析，而且還可讓創(chuàng)新的設(shè)計(jì)人員用于運(yùn)行中的系統(tǒng)趨勢(shì)分析。例如，設(shè)計(jì)人員可以測(cè)量(當(dāng)輸入某一電壓時(shí)) 繞組的電流和電機(jī)的振動(dòng)，以確定什么情況下按計(jì)劃的方式關(guān)閉設(shè)備。在工業(yè)應(yīng)用中，從解決故障問(wèn)題所需的成本以及設(shè)備關(guān)閉所造成的利潤(rùn)損失來(lái)考慮，按計(jì)劃的方案關(guān)閉設(shè)備比意外關(guān)閉的費(fèi)用要少得多。混合信號(hào)FPGA可讓設(shè)計(jì)人員通過(guò)分析某一特定參數(shù)如何改變板卡的壽命，在故障發(fā)生前作出預(yù)報(bào)，從而最大限度地提高機(jī)器利用率，延長(zhǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間，并降低可能造成重大損失的系統(tǒng)崩潰風(fēng)險(xiǎn)。

　　電機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，而且許多應(yīng)用都正在由機(jī)電設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向電子設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)和功率電子器件的成本一直是推廣電子電機(jī)控制廣泛應(yīng)用的障礙之一。隨著半導(dǎo)體工藝和功能集成技術(shù)的進(jìn)步，這個(gè)障礙正在慢慢消失。而且，由于今天采用固定功能實(shí)現(xiàn)方式的成本仍然很高，常常需要不同的部件和在各個(gè)設(shè)計(jì)反復(fù)環(huán)節(jié)作板卡級(jí)變更，F(xiàn)PGA遂成為了許多運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的替代解決方案。

　　理想的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)往往需要將一些可協(xié)同操作的部件放在一起，使它們能在運(yùn)行中和諧配合。而混合信號(hào)FPGA解決方案的功能集成度非常高，正好能滿足這種需求，可以大幅減少部件數(shù)目、板卡空間和整體系統(tǒng)成本，從而增加系統(tǒng)的可靠性和正常運(yùn)行時(shí)間。