在工業(yè)系統(tǒng)中選擇器件需要考慮多個因素，其中包括：性能、工程變更的成本、上市時間、人員的技能、重用現(xiàn)有IP/程序庫的可能性、現(xiàn)場升級的成本，以及低功耗和低成本。

工業(yè)市場的近期發(fā)展推動了對具有高集成度、高性能、低功耗FPGA器件的需求。設(shè)計人員更喜歡網(wǎng)絡(luò)通信而不是點對點通信，這意味著可能需要額外的控制器用于通信，進而間接增加了BOM成本、電路板尺寸和相關(guān)NRE（一次性工程費用）成本。

總體擁有成本用于分析和估計購置的壽命周期成本，它是所有與設(shè)計相關(guān)的直接和間接成本的擴展集，包括工程技術(shù)成本、安裝和維護成本、材料清單（BOM）成本和NRE（研發(fā)）成本等。通過考慮系統(tǒng)級因素有可能最大限度地減少總體擁有成本，從而帶來可持續(xù)的長期盈利能力。

美高森美公司（Microsemi）提供具有硬核ARM Cortex-M3微控制器和IP集成的SmartFusion2 SoC FPGA器件，它采用成本優(yōu)化的封裝，具有減少BOM和電路板尺寸的特性。這些器件具有低功耗和寬溫度范圍，能夠在沒有冷卻風(fēng)扇的極端條件下可靠地運行。SmartFusion2 SoC FPGA架構(gòu)將一個硬核ARM Cortex-M3 IP與FPGA架構(gòu)相集成，可以實現(xiàn)更大的設(shè)計靈活性和更快的上市時間。美高森美為電機控制算法開發(fā)提供了具有多個多軸電機控制參考設(shè)計和IP的生態(tài)系統(tǒng)，使由多處理器解決方案轉(zhuǎn)向單一器件解決方案（即SoC FPGA）更加容易。

影響TCO的因素

以下是影響系統(tǒng)TCO的一些因素。

（1）長壽命周期。FPGA可以在現(xiàn)場部署之后進行重新編程，這延長了產(chǎn)品的壽命周期，從而使設(shè)計人員能夠?qū)Ｗ⒂谛庐a(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)更快的上市時間。

（2）BOM.美高森美基于閃存技術(shù)的FPGA在上電時無需啟動PROM或閃存MCU來加載FPGA，它們是零級非易失性/即時啟動器件。與基于SRAM的FPGA器件不同，美高森美基于閃存的FPGA無需附加上電監(jiān)控器，這是因為閃存開關(guān)不會隨電壓而改變。

（3）上市時間。OEM廠商之間的激烈競爭迫切需要更多的產(chǎn)品差異化和更快的上市時間。經(jīng)過驗證的IP模塊可大幅縮短設(shè)計時間。目前已經(jīng)可以提供多個構(gòu)建工業(yè)解決方案所需的IP模塊，同時更多的模塊正在開發(fā)中。SoC表現(xiàn)出的另一個獨特優(yōu)勢是可以用于調(diào)試FPGA設(shè)計。為了調(diào)試FPGA設(shè)計，可以通過用于調(diào)試的高速接口，利用微控制器子系統(tǒng)從FPGA中提取信息。

（4）工程工具成本。與FPGA開發(fā)工具昂貴的概念相反，美高森美提供用于FPGA開發(fā)的免費Libero SoC IDE，僅在開發(fā)高端器件時才需要付費。

工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)

工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)由一個電機控制器件和一個通信器件構(gòu)成，電機控制器件包含了驅(qū)動逆變器的邏輯和保護邏輯，通信器件則使監(jiān)控控制能夠?qū)\行時間參數(shù)進行初始化和修改。

圖1：典型工業(yè)驅(qū)動系統(tǒng)。

在典型的驅(qū)動系統(tǒng)（圖1）中，可能使用多個控制器器件來實現(xiàn)驅(qū)動邏輯。一個器件可能執(zhí)行與電機控制算法相關(guān)的計算，第二個器件可能運行與通信相關(guān)的任務(wù)，第三個器件則可能運行與安全性相關(guān)的任務(wù)。

多軸電機控制

傳統(tǒng)上，工業(yè)電機控制應(yīng)用使用微控制器或DSP來運行電機控制所需的復(fù)雜算法，在大多數(shù)傳統(tǒng)的工業(yè)驅(qū)動中，F(xiàn)PGA與微控制器或DSP一起使用，用于數(shù)據(jù)采集和快速作用保護。除了數(shù)據(jù)采集、PWM生成和保護邏輯，F(xiàn)PGA傳統(tǒng)上并未在實現(xiàn)電機控制算法方面發(fā)揮主要作用。

使用微控制器或DSP實現(xiàn)電機控制算法的方法并不容易擴展到多個以獨立速度運行的電機（多軸電機控制），美高森美SmartFusion2 SoC FPGA可以使用單一器件來實現(xiàn)集成且完整的多軸電機驅(qū)動控制（圖2）。

圖2：美高森美SmartFusion2 SoC FPGA使用單一器件來實現(xiàn)完整的多軸電機驅(qū)動控制。

控制方面可以分為兩個部分。一個部分用于運行磁場定向控制（FOC）算法、速度控制、電流控制、速度估計、位置估計和PWM生成；另一個部分則包括速度曲線、負載特性、過程控制和保護（故障和報警）。執(zhí)行FOC算法屬于時間關(guān)鍵型，需要在極高的采樣速率下進行（在微秒范圍），特別是針對具有低定子電感的高速電機。這使得在FPGA中實現(xiàn)FOC算法變得更優(yōu)越。過程控制、速度曲線和其他保護無需快速更新，因而能夠以較低的采樣速率執(zhí)行（在毫秒范圍），并且能夠在內(nèi)置Cortex-M3子系統(tǒng)中進行編程。

晶體管開關(guān)周期在驅(qū)動中發(fā)揮著重要的作用，如果FOC回路執(zhí)行時間比開關(guān)周期短得多，硬件模塊可以重用于計算第二個電機的電壓。這意味著器件可以在相同的成本下提供更高的性能。

圖3：永磁同步電機的磁場定向控制（FOC）框圖。

（1）電機控制IP模塊。圖3為無傳感器磁場定向控制算法，這一部分將會討論這些模塊，它們作為IP核提供。

●PI控制器。比例積分（PI）控制器是用于控制系統(tǒng)參數(shù)的反饋機制，它具有兩個用于控制控制器動態(tài)響應(yīng)的可調(diào)增益參數(shù)—比例和積分增益常數(shù)。PI控制器的比例分量是比例增益常數(shù)和誤差輸入的乘積，而積分分量是累積誤差和積分增益常數(shù)的乘積。這兩個分量被加在了一起。PI控制器的積分階段可能在系統(tǒng)中引起不穩(wěn)定，因為數(shù)據(jù)值不受控制地增加。這種不受控制的數(shù)據(jù)上升稱作積分飽卷，所有的PI控制器實現(xiàn)方案都包括一個抗飽卷機制，用于確?？刂破鬏敵鍪怯邢薜摹Ｃ栏呱赖腜I控制器IP模塊使用hold-on-saturation（保持飽和）算法用于抗飽卷。這個模塊還提供附加特性以設(shè)置最初的輸出值。

●磁場定向控制（FOC）。FOC是通過獨立地確定和控制轉(zhuǎn)矩和磁化電流分量來為電機提供最優(yōu)電流的算法。在永磁同步電機（PMSM）中，轉(zhuǎn)子已經(jīng)磁化。因此，為電機提供的電流只用于轉(zhuǎn)矩。FOC是計算密集型算法，但是美高森美電機控制參考設(shè)計已經(jīng)針對器件資源的最優(yōu)使用而構(gòu)建。FOC算法包括Clarke、Park、逆Clarke和逆Park變換。

●角度估計。FOC的一個輸入是轉(zhuǎn)子角度。精確確定轉(zhuǎn)子角度對于確保低功耗是必不可少的。增添確定位置和速度的物理傳感器會增加系統(tǒng)的成本并降低可靠性。無傳感器算法有助于消除傳感器，但是增加了計算復(fù)雜性。美高森美針對無傳感器控制提供了兩個角度計算算法IP模塊—一個基于Luenberger觀測器，另一個基于直接反電動勢計算。該公司還提供基于霍爾傳感器和編碼器的單獨參考設(shè)計。

●PLL.PLL用于同步信號，在多個應(yīng)用中有用，例如逆變器的角度估計和電網(wǎng)同步。

●速率限制器。速率限制器模塊可以實現(xiàn)系統(tǒng)變量或輸入的平滑改變。例如，在電機控制系統(tǒng)中，如果電機所需的速度突然改變，系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。為了避免此類情形，速率限制器模塊用于從初始速度轉(zhuǎn)變到所需的速度。速率限制器模塊可以進行配置以控制改變的速率。

●空間矢量調(diào)制?？臻g矢量調(diào)制模塊改善了直流總線利用率，并消除了晶體管開關(guān)的短脈沖。因為晶體管開啟/關(guān)斷時間比脈沖持續(xù)時間長，短脈沖會導(dǎo)致不正確的開關(guān)行為。

●三相PWM生成。在所有計算的最后，可以得到三相電機電壓。這些電壓用于生成逆變器中晶體管的開關(guān)信號。PWM模塊為六個（三個高側(cè)和三個低側(cè)）晶體管產(chǎn)生開關(guān)信號，并且具有死區(qū)時間和延遲時間插入等先進特性?？删幊痰乃绤^(qū)時間插入特性有助于避免逆變器引腳上的災(zāi)難性短路情況?？删幊痰难舆t時間插入特性使ADC測量與PWM信號生成能夠同步。該模塊可以配置成與僅由N-MOSFET組成的逆變器或同時包括N-MOSFET和P-MOSFET的逆變器一起工作。

（2）在SoC中調(diào)試FPGA設(shè)計。通常，在微控制器上調(diào)試設(shè)計比在FPGA上進行調(diào)試相對簡單一些。在SoC中，可以利用FPGA的高性能，同時保持在微控制器中更快速調(diào)試的優(yōu)勢。美高森美SmartFusion2 SoC FPGA中的微控制器子系統(tǒng)和FPGA架構(gòu)可以通過AMBA APB或AXI總線彼此進行通信。這樣可以把測試數(shù)據(jù)注入FPGA架構(gòu)中，或者從FPGA架構(gòu)中記錄調(diào)試數(shù)據(jù)，從而幫助實現(xiàn)運行時間的內(nèi)部數(shù)據(jù)可視化，用于實時調(diào)試。固件代碼可以單步運行，在代碼中可以設(shè)置斷點來分析FPGA寄存器數(shù)據(jù)。