为什么说FPGA是电机控制最佳控制方式?

电机在各种工业、汽车和商业领域应用广泛。电机由驱动器控制,驱动器通过改变输入功率来控制其转矩、速度和位置。高性能电机驱动器可以提高效率,实现更快速、更精确的控制。高级电机控制系统集控制算法、工业网络和用户接口于一体,因此需要更多处理能力来实时执行所有任务。现代电机控制系统通常利用多芯片架构来实现:数字信号处理器(DSP)执行电机控制算法,FPGA 实现高速I/O 和网络协议,微处理器处理执行控制。电机控制系统有几个发展阶段:

1、模拟电路控制阶段:
优点:模拟控制器响应速度快,调速范围宽等。
缺点:需要的元器件多,设计复杂,调试困难,并且难以实现复杂的电机控制算法。

2、单片机(MCU)控制阶段:
优点:单片机价格便宜,易于控制,广泛应用于低端电机控制领域。

缺点:单片机采用RISC流水总线结构、且资源有限,开发周期长,运算处理慢,实时性差,无法处理复杂的电机控制算法。

3、DSP控制阶段:
优点:DSP采用哈佛架构、芯片集成度高,运算速度快,有自己的完整指令系统,数据处理能力强,可以实现比较复杂的电机控制算法。

缺点:在一些电机控制实时性要求高、控制精度要求高的系统中,单片DSP往往无法满足需求,从而衍生出了”单片机+DSP“、”双DSP“和”DSP+FPGA“的架构,这种架构可以满足电机控制系统对实时性和控制精度的要求,但系统的成本和复杂性也随之增加。

为什么FPGA是电机控制最佳选择的4个原因 , FPGA具有非常显著的优点,这是基于微控制器的解决方案所无法实现的,总的来说有四大优势:
(1)降低系统总成本:通过在FPGA中集成多种功能,能有效地降低系统总成本;
  (2)缩短产品面市时间:在新方案中通过调整设计并重新使用原有单元,能够缩短产品的面市时间;
   (3)简化设计方法:通过提供直观而且功能强大的设计流程,简化设计方法;
  (4)延长产品生命周期:透过增加特性和功能,FPGA能够延长产品的生命周期

FPGA具有更低的时延:目前业内通常用MCU实现的电机控制方案一般有40-50us的延时;用DSP实现的电机控制方案一般也要20-30us的延时;如果用Spantan-6 FPGA来实现电机控制的话,最低时延可降低到2.5us。由于MCU和DSP都是串行运算机制,如果用它们来控制4或8个电机时,最长时延就会增加4倍或8倍;而FPGA是并行计算机制,不管用它控制多少个电机,每个电机的时延都是一样的,都可做到2.5us。

基于FPGA的电机控制系统具有成本优势:单纯从单板购买成本上讲,如果要同时控制的电机数量超过8个,那么用FPGA来实现控制性价比是比较有优势的。事实上,Xilinx等FPGA巨头争电机控制市场也就是那些对性能要求比较高的多电机应用场合。

基于FPGA的电机控制系统延降低系统总成本长电机寿命:电机是今天最耗电的设备,66%的电网电力都消耗在电机上,如果电机控制的好,那么在电机上省下来的钱就远远不是控制芯片价钱的数量级。而且电机寿命取决于控制方法,如果控制得好,那么电机的寿命就会延长。更换电机常常意味着生产线要停下来,这也是为什么今天的高端电机设备制造商都在寻找更高端电机控制方案的背后原因。

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