混合信號 FPGA 是工業電機控制的一種全新選擇方案，它與集成式軟處理器結合使用，便能夠以較低的成本讓大多數應用輕松地實現各種類型的電機設計。

 圖1：對于單相和三相電機的高效控制，愛特公司的 Fusion 器件等混合信號 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，并較大限度地節省能量成本。

      從電梯、家電，到機器人和工業自動化生產線，電機幾乎無處不在。今天，全球耗電量已達驚人數字，其中 50% 以上是電機消耗的。可惜的是，許多電機的效率都很低，能源浪費相當嚴重。例如，小型交流電機的效率低至 50%，雖然加大電機尺寸可以提高電機效率，但其實還有其它方法能夠提高效率和降低能耗。

      盡管增加電機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現。隨著半導體工藝技術和集成化技術的進步，混合信號現場可編程門陣列 (FPGA)作為電機控制的重要選擇方案應運而生。這些高集成的靈活平臺能夠以單一低成本單器件，提供電機控制所需的大部分資源。使用 FPGA 代替固定邏輯器件，可讓設計人員得以靈活地針對應用實現較高效的設計，并能夠在各種各樣的電機控制應用中采用相同的器件。

      利用混合信號 FPGA 和經過軟 FPGA 優化的微處理器，便能夠實現智能負載匹配或變速控制，只需增加極少的電機成本就可以在全范圍內提高電機的功效。事實上，結合較佳實踐，混合信號 FPGA 加上經過軟 FPGA優化的微處理器之組合，能夠使電機效率達到接近 95%。若廣泛采用電子式電機控制，全球就可以節省15% 到 20%的電能，每年的能耗顯著降低，造成溫室效應的氣體排放也大大減少。

      當 AC 電機接近滿負載工作時，它的效率可以達到 90% 以上。不過，很少有電機一直都在滿負載情況下工作，這是因為負載總是在變化，而參數選擇也是有裕度的，效率會因此降低 75% 之多，大大浪費能源。一般來說，電機比它所驅動的負載量大兩、三倍是很常見的事，而這是一種成本高昂的工作模式。盡管電機根據了較大的負載量而設計，但它的負載一般都比較小，工作效率也很低。例如，自動扶梯是按照較大承載人數來設計的，可大多時候自動扶梯上的人數遠小于規定的較大容量，這使得它的效率很低，造成能量的浪費。而有了電機控制，就可以對負載進行連續的智能感測，準確匹配相應的輸入功率，在整個工作范圍上較大限度地提高電機的效率，較大限度地減小功耗和運行成本。哪怕負載有微小的變化，也可以檢測出來，然后提供精確匹配的功率，同時不影響電機的速度。實際上，電子控制會根據工作情況不斷調節交流感應電機的功率大小，使其保持在理想的負載條件之下工作。

      交流電機的轉換不一定必需更換掉目前所用的所有電機，這需要大量的成本。美國能源部估計美國單單工業領域都使用了1,240 萬部 1 匹以上的電機。每年有多達 60 萬部電機出現故障需要更換，因此電機更換一直在不斷進行中，這意味著在未來　20年間，大多數 1 匹以上的電機都得被更換掉，而全球其它地區的情況也大致相同。以高效的電控電機替換所有這類電機，可以使工業功率需求降低 18% 之多，從而為制造業大幅節省能源成本。

      對于能以恒定速度工作的應用來說，電控智能負載匹配是絕佳的解決方案。可惜的是，并非所有采用交流電機的應用都能以恒定速度工作。對于適合已知負載量的應用的低成本驅動，可采用變頻驅動 (VFD) 根據當前條件相應改變電機的轉速。根據工作條件持續變速并保持頻率/電壓 (V/f 控制) 比恒定，是實現三相電機變速工作的一個簡單方法。

      相比其他解決方案，FPGA 成本較高，并缺乏交流電機控制所需的模擬外設，故一直以來都不在這些應用的解決方案考慮范圍之內。然而，新的高成本效益混合信號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到大型三相交流電機等各種電機的電控實現所需的大部分資源。

      在每秒 600 k 的采樣率下，混合信號 FPGA 中的 ADC 大約比交流電機控制快 2到 3倍，可以直接測量定子電流和轉子電流，以確定轉速和位置。此外，由于具有多達 30 個 ADC 輸入，對每個線圈的反電動勢 (back-EMF)、總線電壓和電機中的任何其它條件進行采樣非常簡單，只需連接器件做適當測量即可。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 FPGA，允許以無傳感器正弦電流控制來構建電機控制，從而省去昂貴的傳感器，進一步降低電控的成本。此外，除了監控總線電壓、電機電流及速度之外，混合信號 FPGA 中的Cortex-M1 處理器還能夠進行診斷。這種執行診斷并在問題出現時予以智能響應的能力，可以顯著減少對電機的損害，延長其壽命，進一步降低擁有成本。

      隨著新的電機技術和電機控制技術面世，利用旋轉磁場的概念也在不斷進步。在許多應用中，負載和速度都是變化的，故而矢量控制 (磁場導向) 獲得廣泛運用。由于這種技術不是基于電機的穩態方程，所以能夠處理眾多電機應用中常見的變化工作條件。矢量控制能夠響應負載的變化來進行精確的速度控制，即使在電機轉換期間也可提供較佳的效率。此外，它還能夠以低速實現全部的電機轉矩能力。利用混合信號 FPGA 執行矢量控制的優點之一是可采用相同的器件，只需少許變動，針對某類電機采用適當的模型，便可以控制多種電機 (如永磁交流電機和無刷直流電機) (圖2)。

      對于三相交流電機，矢量算法必須以 1kHz 到 10kHz 的速度連續計算。在每個 120度相位角內，短暫的時間里必需進行龐大數量的計算，包括三角函數、比例－積分－微分 (proportional-integral-derivative, PID)、實時磁通量和轉矩接口函數。對采用矢量方案進行控制的交流電機而言，需要有功能強大的小型處理器，能夠支持這些計算，支持與應用其余部分及用戶接口的通信。

      在實際應用中，交流電機控制每個控制軸需要 8 到 20MIPS 的處理能力，在混合信號 FPGA 中，利用一個 ARM Cortex-M1 處理器就可以輕松實現。這種組合可以在不到 6μs 的時間內完成整個轉換，包括電流的測量，從而達到每秒超過 165,000 次的轉換速度，這足以滿足大多數交流電機控制應用的要求。除處理器之外，適當的外設對應用也是十分重要的。可編程邏輯常常是實現各種用戶接口和數字控制邏輯的首選方案，包括網絡和外設接口、脈寬調制 (PWM)、正交編碼器接口以及傳感器輸入，這對于今天的電機控制系統是非常重要的。利用混合信號FPGA，處理器、存儲器和外設均可集成在單個器件內，除了變頻模塊和電機本身，將額外需要的組件減至較少，大大降低了電子成本，成為對于多種電機設計頗具吸引力的解決方案。

      節能要求迫使工業制造商采用更多的高效電機，當中 500W 到 10kW 工業應用電控電機是節能潛力較大的領域。這個范圍之上的電機一般效率高出很多，而這個范圍之內的電機則極為廣泛地用于工業環境中。其中許多都以恒定速度工作，且頻繁啟動和停止，導致多達 50% 的能源被浪費掉。利用混合信號 FPGA 構建、并與分立式溝槽 IGBT 配合使用的電機控制器，能夠在整個工作范圍獲得接近 95% 的效率。這意味著可以實現尺寸更小、功率更低、持續以更低速度運行的電機，而且電機還無需啟動和關斷，從而可降低功耗和散熱量，并減小電機噪聲。

圖2：混合信號 FPGA 可為工業電機控制設計提供若干優勢，如組件數目更少、成本更低、更易于制造，以及更高的電機可靠性和效率