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??? 混合信號(hào) 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(duì)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(hào) 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(dòng)化生產(chǎn)線,，電機(jī)幾乎無(wú)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(hào)現(xiàn)場(chǎng)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(tái)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(duì)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(hào) FPGA 和經(jīng)過(guò)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(hào) FPGA 加上經(jīng)過(guò)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(guò)，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(huì)因此降低 75% 之多,，大大浪費(fèi)能源,。一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)比它所驅(qū)動(dòng)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(dòng)扶梯是按照最大承載人數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的,，可大多時(shí)候自動(dòng)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(duì)負(fù)載進(jìn)行連續(xù)的智能感測(cè)，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(cè)出來(lái)，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(huì)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(guó)能源部估計(jì)美國(guó)單單工業(yè)領(lǐng)域都使用了1,240 萬(wàn)部 1 匹以上的電機(jī),。每年有多達(dá) 60 萬(wàn)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(lái)　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(duì)于能以恒定速度工作的應(yīng)用來(lái)說(shuō),，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(duì)于適合已知負(fù)載量的應(yīng)用的低成本驅(qū)動(dòng),，可采用變頻驅(qū)動(dòng) (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(jiǎn)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(lái)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(hào)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(hào) FPGA 中的 ADC 大約比交流電機(jī)控制快 2到 3倍，可以直接測(cè)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(duì)每個(gè)線圈的反電動(dòng)勢(shì) (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(jiǎn)單，只需連接器件做適當(dāng)測(cè)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(hào) FPGA,，允許以無(wú)傳感器正弦電流控制來(lái)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(hào) 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(wèn)題出現(xiàn)時(shí)予以智能響應(yīng)的能力,，可以顯著減少對(duì)電機(jī)的損害,，延長(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(lái)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(hào) 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(dòng),，針對(duì)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(wú)刷直流電機(jī)) (圖2),。?

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??? 對(duì)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(duì)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(hào) 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(cè)量，從而達(dá)到每秒超過(guò) 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(duì)應(yīng)用也是十分重要的,?？删幊踢壿嫵３Ｊ菍?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(duì)于今天的電機(jī)控制系統(tǒng)是非常重要的,。利用混合信號(hào)FPGA,，處理器、存儲(chǔ)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(duì)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(dòng)和停止,，導(dǎo)致多達(dá) 50% 的能源被浪費(fèi)掉。利用混合信號(hào) 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(wú)需啟動(dòng)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(hào) FPGA 可為工業(yè)電機(jī)控制設(shè)計(jì)提供若干優(yōu)勢(shì)，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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