當前電機控制的發(fā)展越來越趨于多樣化、復雜化，現(xiàn)場也提出越來越苛刻的性能要求。因此客戶有可能考慮自己開發(fā)專用的控制芯片，F(xiàn)PGA的可編程性正是可以滿足這種需求。

對于電機控制提出的不同要求，F(xiàn)PGA芯片固有的可編程性和并行處理的特點十分適合于中高端的電機控制應用。由于它以純硬件的方式進行并行處理，而且不占用CPU的資源，所以可以使系統(tǒng)達到很高的性能。

在電機控制的市場上，眾多專注于FPGA技術的廠商接連推出了各具特色的解決方案，本系列將會為大家介紹這些廠商以及它們在電機控制領域的代表產品。首先，是身為FPGA三大巨頭之一的Actel 公司。

Actel Fusion系列器件

Actel Fusion系列器件是業(yè)界首款也是唯一具有模擬功能的Flash架構的FPGA，融合了FPGA數(shù)字內核、A/D轉換器、Flash存儲器、模擬的I /0、RTC等數(shù)字和模擬器件。Fusion器件內部具有2～8 Mbit不等的用戶可用Flash存儲器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks／s采樣率的A／D轉換器，片內100 MHz的RC振蕩器與PLL（鎖相環(huán)）一起共同為FPGA提供時鐘，以節(jié)省外部時鐘的開銷。這些特點極大地提高了該系列FPGA器件的功能，簡化了系統(tǒng)設計，大幅度減少了電路板面積和系統(tǒng)總成本。當Fusion系列FPGA器件結合8051，CortexMl，ARM7等軟件MCU核時，還可以實現(xiàn)真正的 SoC系統(tǒng)。Actel Fusion系列器件的眾多特點，使其在電機控制的領域得到了廣泛的應用，由它延伸出來的Smartfusion 數(shù)?；旌闲酒?，十分適合高復雜度電機控制的應用。

產品一覽

Actel Fusion的特點

單芯片

以 Flash 為基礎的 FPGA 將配置信息儲存在片上 Flash 單元中，一旦完成編程后，配置數(shù)據(jù)就會成為 FPGA 結構的固有部分，在系統(tǒng)上電時并無需載入外部配置數(shù)據(jù)。以 Flash 為基礎的 Fusion 融合 FPGA 無需額外的系統(tǒng)元件，如傳統(tǒng) SRAM FPGA 配置用的串行非揮發(fā)性內存 （EEPROM） 或以 Flash 為基礎的微控制器，它們都是用來在每次上電時對傳統(tǒng) SRAM FPGA 加載程序的。增加的融合功能可在電路板上省去多個附加元件，如 Flash 內存、分立模擬 IC 、時鐘源、EEPROM ，以及實時時鐘等，從而減低系統(tǒng)成本和電路板空間需求。

低功率

Fusion 器件具有類似于 ASIC 的功率特性，因而適用于電池供電產品和其它對功耗敏感的應用。使用Fusion 器件時，并不會出現(xiàn)加電浪涌電流和大電流轉換，而這是許多 SRAM FPGA 器件所面對的問題。Fusion 器件還具有低靜態(tài)和動態(tài)功耗，能實現(xiàn)最多的功率節(jié)省。這些器件支持睡眠和待機模式運作，可大幅降低功耗。Fusion 器件的另一個獨特性能是在非活動期間于正常時鐘速度和低時鐘運作速度之間進行動態(tài)轉換，并在需要時轉為全速運作。

上電即行

以 Flash 為基礎的Fusion 器件具有上電即行 （LAPU） 特性，一旦施加正常運作規(guī)格內的系統(tǒng)功率，F(xiàn)usion 器件即可工作。這種上電即行特性能夠大幅簡化整體系統(tǒng)設計，并往往可以省去系統(tǒng)中復雜的可編程邏輯器件 （CPLD） 。

安全性

Fusion 器件包含了 Microsemi FlashLock? 功能，提供可重編程性和設計安全性的獨特組合，且無外部元件費用。這些優(yōu)點只有通過帶非揮發(fā)性 Flash 內存的 FPGA 才能實現(xiàn)。Fusion 器件具有基于 Flash 的 128 位安全保護機制和業(yè)界領先的片上 AES 解碼內核，用于保護經編程的 IP 和配置數(shù)據(jù)。 128 位 AES 是政府機構認可速度更快、安全性更高的加密算法，可以替代 DES 。目前，F(xiàn)usion 器件具有最完備的可編程邏輯安全解決方案。以 AES 加密技術為基礎的Fusion 器件可讓設計人員安全地完成系統(tǒng)設計和 Flash 內容的遠程更新 （通過公共網絡如互聯(lián)網等），確保具價值的 IP 不會遭受系統(tǒng)過建、復制和 IP 盜竊等問題所侵害。雖然編寫在Fusion 器件中的 FPGA 設計不能讀回，但可對其進行安全的設計驗證操作。Fusion 器件采用了許多器件設計和布局工藝技術，使到入侵攻擊難以得逞。例如，F(xiàn)usion 器件的 Flash 單元都位于 7 層金屬層之下，因而極難實現(xiàn)反向工程。

固件錯誤

固件錯誤是高層大氣中產生的高能中子撞擊 SRAM FPGA 配置數(shù)據(jù)存儲單元所導致的錯誤。撞擊產生的能量會改變 SRAM FPGA 配置數(shù)據(jù)存儲單元的狀態(tài)，從而改變其邏輯、路由或 I/O ，而這種改變是無法預測和控制的。這類錯誤在 SRAM FPGA 中不可能避免，因而導致其時間延續(xù)故障 （FIT） 率值達數(shù)千。這類錯誤可能導致整個系統(tǒng)失效，引起重大的技術支持和產品可靠性問題。融合 FPGA 的配置元素 （即 Flash 存儲單元） 便不會被高能中子改變，因此具有中子引發(fā)的固件錯誤免疫力。

融合技術及其優(yōu)勢

單芯片提供所有功能

直至融合技術問世前，系統(tǒng)設計人員被迫采用成本高、占位空間多的分立模擬組件和可編程邏輯或混合信號 ASIC 方案來執(zhí)行一般的系統(tǒng)。固定的架構及其它技術障礙都阻止各個組件集成到一個低成本的單芯片中，以滿足所有設計需求。

外部高電壓接口

Fusion 器件具有真正的外部高電壓接口；擁有多達 30 個耐高壓模擬輸入，可與 -12V 到 +12V 的信號直接連接，因此無需信號預調節(jié)電路。基于融合技術的模數(shù)轉換器 ADC 可以配置，并支持高達 12 位的信號采樣率，采樣速度達 600 ksps 。Fusion 器件還具備額外的功能，包括多個差分輸入電流監(jiān)控功能塊，每個均內置放大器，能增加靈敏度和效率。Fusion 器件還集成了溫度監(jiān)控電路，只需外接二極管便可遠程監(jiān)控多項溫度。Fusion 器件具有多達 10 個大電流驅動輸出，最適用于 MOSFET 控制和/或脈沖寬度調制 （PWM） 功能，如直接風扇控制。

功率管理和熱管理

Fusion 器件具有 0 級上電即用 （LAPU） 功能，只需 3.3V 單電源便可運行。由于啟動要求不高，F(xiàn)usion 器件可充當終極的系統(tǒng)管理器，能夠監(jiān)視和控制板上各個電源的上電順序。各個電源的電壓上升速率可通過Fusion 器件進行編程。結合其溫度監(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。

動態(tài)系統(tǒng)配置

Fusion 器件可將多項系統(tǒng)級功能集成在一個單芯片中，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內存工藝，F(xiàn)usion 器件提供業(yè)界領先的低靜態(tài)和動態(tài)功耗。Fusion 器件還具有多項睡眠和待機工作模式，進一步延長便攜式設備的電池壽命。Fusion 器件的實時計數(shù)器（RTC） 能實現(xiàn)各種功能，如睡眠、待機、定期喚醒、低速或低功耗運行。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鐘源。

重新配置系統(tǒng)

Fusion 器件架構繼承了 Microsemi 成功的 ProASIC?3 系列 Flash PGA的可配置性和現(xiàn)場可編程性優(yōu)勢，能在制造過程中或制造完成后在現(xiàn)場安全地進行編程。由于Fusion 器件可以在單一硬件平臺支持多種項目和產品，因此能讓設計人員享有批量采購器件的優(yōu)勢，并同時針對不同市場進行產品的定制設計。而固件 （Flash 內存） 和硬件的更新都能在一個步驟中完成。

Actel Fusion FPGA的無刷電機（BLDC）控制

1 前言

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

近年來，采用數(shù)字控制的無位置傳感器控制技術，已逐漸成為今后無刷電機控制的發(fā)展趨勢。在此采用Actel公司的Fusion系列混合信號 FPGA為控制器核心，設計了一款無位置傳感器無刷電機控制器。采用Fusion內部特有的12位多路高速A／D轉換器，實現(xiàn)電機反電動勢檢測，使用內嵌的51軟核實現(xiàn)速度閉環(huán)控制算法，成功實現(xiàn)無刷電機無位置傳感器控制方案，具有系統(tǒng)硬件方案簡單，集成度高，可靠性好，調速精度高等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)方案設計

2．1 Fusion FPGA簡介翻

Actel Fusion系列器件是業(yè)界首款也是唯一具有模擬功能的Flash架構的FPGA，融合了FPGA數(shù)字內核、A/D轉換器、Flash存儲器、模擬的I /0、RTC等數(shù)字和模擬器件。Fusion器件內部具有2～8 Mbit不等的用戶可用Flash存儲器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks／s采樣率的A／D轉換器，片內100 MHz的RC振蕩器與PLL（鎖相環(huán)）一起共同為FPGA提供時鐘，以節(jié)省外部時鐘的開銷。這些特點極大地提高了該系列FPGA器件的功能，簡化了系統(tǒng)設計，大幅度減少了電路板面積和系統(tǒng)總成本。當Fusion系列FPGA器件結合8051，CortexMl，ARM7等軟件MCU核時，還可以實現(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 控制器方案設計

根據(jù)無刷電機反電動勢檢測法原理，結合Actel FusionFPGA的內部功能特性，設計了圖1所示的無刷電機控制方案。

在該設計方案中，F(xiàn)usion AFS600作為控制器核心，用內嵌的軟核8051 MCU實現(xiàn)控制算法，高速12位A/D轉換器分別檢測三相繞組的反電動勢和外部電位器設定電壓。電位器設定電壓用于確定電機的轉動方向和轉速。通過 FPGA邏輯實現(xiàn)LCD液晶屏接口，用于顯示設定轉速和實際轉速。此外一個重要的模塊是三相PWM波形發(fā)生模塊，通過可編程計數(shù)器實現(xiàn)。PLL模塊用于向單片機、A／D轉換器和PWM模塊提供基準時鐘信號。

外圍電路主要包括：LCDl602字符型液晶顯示器、設定轉速的電位器和無刷電機驅動器。無刷電機驅動器采用A3935三相全橋器件配合6個大功率NMOS管IRF2807S實現(xiàn)完整的無刷電機控制方案。每項繞組的反電動勢通過串聯(lián)電阻分壓并濾波再送入Fusion AFS600內部的A／D轉換器。A3935是一款汽車級三相功率MOSFET驅動器，特別適用于無刷電機控制，具有過壓、欠壓、過流、過熱、短路和開路監(jiān)控功能，功能強，可靠性高等功能。

2．3 三相PWM產生

設計方案中采用Fusion的邏輯門電路實現(xiàn)了PWM頻率和占空比可連續(xù)調節(jié)的PWM發(fā)生模塊。其中，設定的頻率參數(shù)和占空比可根據(jù) A/D轉換器采集的電位器電壓值轉換為相應的參數(shù)值，只要調節(jié)外部電位器就能產生6路占空比可調的PWM信號波形。下面給出的相關代碼是采用 VerilogHDL語言編寫的一部分三相PWM的源碼。圖2示出用示波器測出的其中兩路PWM信號波形。

2．4 反電動勢檢測

實現(xiàn)反電動勢檢測原理是：無刷直流電動機在運轉過程中，同一時間只有兩相繞組處于工作狀態(tài)，即該兩相所對應的功率器件處于PWM狀態(tài)，而第三相處于懸空狀態(tài)，其端電壓等于感應電動勢。反電動勢的過零點就發(fā)生在該相繞組懸空期間。此時通過檢測端電壓就能間接檢測該相反電動勢的過零點。該控制器的反電動勢檢測采用Fusion系列FPGA器件內部的模擬模塊，三相端電壓經過電阻分壓濾波后送入Fusion系列FPGA器件內的12位A／D轉換器進行分時采樣。Fusion系列FPGA器件內部采用分時循環(huán)采樣電位器設定電壓和三相繞組的反電動勢電壓，A／D轉換器將轉換結果分別存入相應的數(shù)據(jù)寄存器。A／D轉換器循環(huán)采樣部分的

圖3示出用示波器測量到的實際反電動勢μ1和μ2的波形，由于反電動勢信號經過一定的模擬濾波處理，信噪比較好，便于FPGA進行過零點檢測。

2．5 控制軟件設計

上述有關PWM產生模塊和A／D轉換器循環(huán)采樣模塊都是用Verilog HDL語言編寫的，在Actel Libero IDE集成開發(fā)環(huán)境下編譯通過并作為模塊調用，而調速控制算法的實現(xiàn)則使用了Fusion系列FPGA器件內部的8051軟核實現(xiàn)，開發(fā)工具是Keil C。圖4示出51軟核的算法流程。

3 結論

無刷電機控制器硬件平臺基礎上分別編制開發(fā)了FPGA內部各功能單元，并進行了編譯鏈接和引腳分配。經過實驗實現(xiàn)了對無刷電機的平穩(wěn)啟動和轉速調節(jié)。所用無刷電機24 V供電，額定轉速l 600 r／min。由該FPGA控制器控制的調速范圍為760~1 600 r／min內連續(xù)可調。該控制器的實現(xiàn)充分體現(xiàn)了Actel Fusion系列混合信號FPGA在模數(shù)混合系統(tǒng)應用中的高度集成性，真正單片SoC的優(yōu)點，為Fusion系列FPGA器件的應用提供了參考價值。

SmartFusion

是全新的ARM和FPGA的混合體，在Actel獨特的模數(shù)混合的Fusion系列的基礎上融入了高效的ARM內核——Cortex-M3，該內核屬于硬核，不占用FPGA的邏輯資源，不僅具有FPGA的高速并行的特點，而且可以發(fā)揮ARM靈活控制的長處，取長補短。

功能框圖

芯片內部結構圖