今天的電動機驅動市場為系統設計人員提供了比以往更多的選擇。在交流方面，電機驅動器提供了高度靈活的解決方案，具有越來越多的功能，如變速控制。這些器件具有啟動時的低功率需求、受控加速、可調節運行速度、受控啟動電流、可調節扭矩限制和減少電源線干擾。

交流電機有兩種一般類型。第一種是交流電機，它使轉子的旋轉與供電電流的頻率同步。這使得速度在變化的負載下保持恒定，使這些電機成為驅動設備的理想選擇。設計人員通常在需要高精度定位的應用中使用同步交流電機，例如機器人、儀器儀表、機器和過程控制。

今天使用的更常見的交流電機是感應或異步類型。這些電機利用來自定子繞組磁場的電磁感應在轉子中產生電流，從而產生轉矩。這種負載能力可用于廣泛的應用。

這些設備有單相和三相兩種版本。單相交流感應電動機廣泛用于家用電器等較小的負載。三相感應電機用于更高容量的工業應用，例如壓縮機、泵、輸送系統和起重裝置。

工業用直流電機

在工業領域，設計人員通常使用有刷直流、無刷直流 (BLDC)、步進或伺服電機。每種類型的電機都有其自身的權衡。

有刷直流電機提供了一種簡單、低成本的選擇。它們支持的速度與施加的電壓成線性關系，因此它們可以與簡單的電機控制解決方案一起使用。另一方面，有刷直流電機通常需要相對較高的維護水平，并且由于必須承受物理磨損，使用壽命相對較短。

BLDC 電機也是一種高效的選擇。通過用電子換向取代有刷直流電機中的傳統機械裝置，在與傳統直流電機相同的速度和負載下運行時，它們的效率提高了 20% 到 30%。這使設計人員可以針對給定的功率輸出使用更小、更輕、更安靜的 BLDC 電機。不幸的是，在許多應用中，這些電機需要更復雜且通常更昂貴的電機控制解決方案。

伺服電機采用閉環機制，使用位置反饋來控制電機的運動和位置。電機通常與某種類型的編碼器配對，以提供位置和速度反饋。恒定反饋消除了失速的可能性，并允許電機糾正任何定位差異。

步進電機是無刷直流電機，以離散和相等的步長移動。無需任何位置傳感器進行反饋，即可引導電機在任何步驟移動或保持其位置。步進電機比伺服電機使用更多的磁極。對于尋求具有高精度控制和強大低速扭矩的電機的設計人員來說，步進電機提供了最佳選擇。步進電機還具有較長的生命周期。

但高精度是有代價的。步進電機是效率相對較低的電機，容易產生共振、噪聲和轉矩脈動。使用這種電機類型的設計人員還必須記住，他們不能快速加速負載。在許多情況下，步進電機和伺服電機驅動器在電機控制應用中與 FPGA 一起使用時可為設計人員提供顯著優勢。

FPGA 輔助電機控制

步進和伺服控制驅動器根據特定需求量身定制。伺服控制驅動器非常適合涉及動態負載變化的高速、高扭矩應用。另一方面，步進控制系統的成本要低得多，并且最適合需要中低加速度、高保持扭矩以及在開環或閉環中運行的靈活性的應用。表 1 比較了步進和伺服控制驅動器的可用特性。

表 1：步進電機和伺服電機的特性比較。

通常，基于 FPGA 的電機控制驅動器用于替代 MCU 和 DSP 替代品。表 2 比較了基于 MCU/DSP 模塊與 FPGA 的電機控制驅動設計，并強調了 FPGA 提供的優勢，包括使用定制脈寬調制 (PWM) 的能力、更容易的組件集成、更少的組件、更高的控制環路帶寬、和更高的可靠性。

通過使用帶有定制 IP 的 FPGA，系統設計人員可以根據他們的需求高效地創建電機控制解決方案并確保確定性行為。他們還可以開發解決方案，降低電機和電源轉換器的損耗，同時優化直流母線的電壓利用率。此外，采用這種方法的設計人員可以定制以前固定的通用硬件，同時在高調制指數下將總諧波失真 (THD) 降低近 50%。

表 2：基于 MCU/DSP 和 FPGA 的電機控制解決方案的比較。

設計人員如何知道應用程序是否可以從基于 FPGA 的控制解決方案中受益?回答幾個基本問題是第一步。設計師使用什么設計標準?應用程序必須移動的負載是多少?電機需要以什么速度運行?負載在整個移動過程中是否變化?應用程序是否需要任何特殊功能，例如扭矩限制?最后，設計和功率預算有多大?

框圖(圖 1)說明了 DVE 的工程師如何為舞臺照明應用開發電機控制解決方案，該應用必須在單個模塊中同時同步多達八個舞臺燈光。設計團隊知道他們需要一種能夠同時驅動多達 8 個兩相或三相步進電機的低成本電機控制解決方案。

該設計要求 32 位處理器或 DSP 以 100 MHz 運行，并帶有附加邏輯。其次，由于所需的同步和確定性系統要求，它要求進行仔細的軟件設計。該設計還需要支持每個電機的編碼器接口，以實現精確的位置確定。

設計案例研究

為了滿足這些需求，設計人員使用了萊迪思半導體的 MachXO2-7000 FPGA。具有高達 256 Kb 的集成閃存和 240 Kb 的嵌入式 RAM，這確保了 FPGA 可以在不到一毫秒的時間內自行啟動。全部在一個芯片中，該設計包括一個運行頻率為 50 MHz 的 32 位微控制器，具有 20 KB 的代碼和 4 KB 的數據空間、一個實時以太網接口、一個電機控制算法和反饋編碼器。

此外，集成啟動閃存消除了對外部啟動閃存的需求，并確保了快速啟動過程。由于 FPGA 的并行架構，可以簡單地復制功能塊而不犧牲確定性行為。

圖 1：DVE 采用單芯片 FPGA 設計的電機控制解決方案。

DVE 的電機控制解決方案支持用于控制脈寬調制和反電動勢檢測技術的空間矢量調制算法。它還具有 REDBUS 實時以太網接口，允許 100 Mbps 的數據交換和多個板的互連，而無需以太網交換機設備。

展望未來，伺服電機控制應用通常需要一個反饋回路，其中傳感器可以確定電機的位置、運行速度以及施加的扭矩。對于這些應用，設計人員將需要具有集成 DSP 模塊的 FPGA 來執行反饋環路功能。具有嵌入式 DSP 模塊的新一代低密度 FPGA 可以提供比傳統選項更高效的解決方案。
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