电机花费的电能占环球电耗的比例非常高。在很大程度上，电机的能耗取决于电机和传动效率。为了降耗、提高传动效率和改进性能，天下各地的监管机构均已履行能源效率标准。因此，电机传动的支配正日益利用高精度、高性能电机掌握算法。
当代传动系统要集成掌握回路精度、扩展性、网络通信、外设掌握、数据和设计安全、功能安全和可靠性等特性，这是十分主要的。此外，电机必须准确并且同步掌握，同时不危害性能和确定性，在多轴掌握系统中尤其如此。为了知足这些掌握和集成哀求，嵌入式设计职员设计的传动不仅要能够运行繁芜的电机掌握算法，而且要在连接性日益增加的环境下支持多个外设通信。
微掌握器/数字旗子暗记处理器办理方案
pk
FPGA电机掌握办理方案
电机掌握运用设计传统上采取微掌握器(MCU)或数字旗子暗记处理器(DSP)来运行电机掌握算法。但是，随着人们日益支配具有更高集成水平、扩展性、现有IP重复利用性的高性能工业掌握系统，使得FPGA成为优先选择，尤其结合了ARM Cortex M3微掌握器和FPGA逻辑资源的办理方案，为许多关键任务供应了空想的分工。
它们日益被采纳的缘故原由有以下：
首先，由于架构和访问指令存储器的缘故原由，使得微掌握器十分适宜用于速率更慢的串行任务，但是，对韶光哀求更苛刻的并行处理功能的运用，FPGA则是更加空想的选择。例如，在多轴掌握中，速率独立的多个电机通过履行确定性掌握环路进行掌握。常日，多轴电机掌握系统还集成了外设掌握、传感器接口、保护逻辑/安全和网络通信等功能。与这些功能有关的任务，各自拥有不同的实行韶光和优先等级。
微掌握器或DSP传动掌握器采取屏蔽和中断做事程序来分配每种任务的实行优先等级。某些未屏蔽的任务可能在掌握回路之前实行，导致掌握回路的实际实行韶光不愿定。相反，FPGA的掌握回路和片上系统(SoC)FPGA与其它过程并行实行，在多轴掌握环路中，还可以采取时分多路复用(TDM)方案顺序运行。
配备ARM Cortex-M3微掌握器的SoC FPGA乃至更高效地实行这种运用：这种FPGA用于按严格确定性定时办法实行的掌握回路非常空想，而较低速率的接口则可以与ARM M3微掌握器连接(图1)。
图1：基于Flash的SmartFusion2 SoC FPGA履行的高度集成电机掌握办理方案
表1：微掌握器/数字旗子暗记处理器办理方案vs FPGA电机掌握办理方案
此外，FPGA办理方案改进了扩展性和性能。正如前述，在基于FPGA的掌握中，优先等级更低的任务对掌握回路的实行没有影响，因此，增加电机的数量并不会影响掌握回路的实行韶光。根据需求，可以扩大FPGA上运行的IP组合，从驱动两台无刷DC(BLDC)步机电机通道扩大到六轴办理方案，或将电机性能提高到70000 RPM以上。
此外，采取基于FPGA的多轴掌握可以支持高达数百KHz的更高脉冲宽度调制(PWM)开关频率。除集成PWM产生等特性之外，基于FPGA的电机掌握器还包括嵌入式处理、掌握外设(如USB、PCIe、I2C和CAN)专用块、多用户定义I/O及拥有参考设计的即用型IP库。很主要一点是要记住电机掌握算法并非唯一哀求的功能。常日，完全的电机掌握设计须要一个或多个通信接口和掌握I/O。
这些接口并非面向高性能，因此，非常适宜利用M3等微掌握器来履行。通信接口可以是CAN总线、SPI、UART或其它掌握总线。SoC FPGA在客户外设和设计其它部分之间供应桥梁，当须要其它外设时，可以采取基于微掌握器的SoC FPGA。模块化IP组件还简化了定制和扩展，支持多轴电机或高迁徙改变速率办理方案的不同组合，同时知足不断演化的地区技能标准。IP块越紧凑(即全体组合不到10000个逻辑元件)，支持集成需求的净空间便越多。
可靠性和安全性是FPGA办理方案的其它两个主要方面。当设计用于卫星太阳能电池板、导向和掌握系统、医学扫描仪、核电厂机器及实行器(Actuator)和发动机掌握等运用的系统时，航空电子特殊主要。许多半导体部件(包括MCU/DSP)易受单粒子翻转(SEU)的影响。可靠性和安全性的最佳选择是基于Flash而不是SRAM)的FPGA。所有配置信息芯片位于非易失落性存储器内，它们在启动时绝对不会暴露位流。FPGA用于履行确定性定时非常主要的电机掌握和网络功能时也比微掌握器可靠。微掌握器的定时差异是几毫秒，而FPGA的定时差异仅几纳秒或更低。
FPGA还知足确定性多轴电机掌握办理方案的安全寻衅哀求。在现今的业界中，设计可能被克隆，或其数据可能被修改或盗取的威胁日益增加。OEM面临的另一个威胁是其处理所有哀求设计和IP的供应商或条约制造商或会过度制造。大多数MCU/DSP可能无法供应FPGA固有的高等安全特性水平，这些安全特性能够以分层方法供应硬件安全性、设计安全性和数据安全性(全面安全计策的三个关键要素)。
有些基于闪存的FPGA还可以作为拥有关键储存能力的信赖根设备，防止超连接工业IoT受到恶意攻击。FPGA采取物理反克隆功能(PUF)等特性应对安全需求，个中在公钥/私钥方案中，采取公钥根本举动步伐(PKI)，私钥用于履行M2M验证。其它特性包括加密加速器、随机数发生器、用于保护CUP/DSP内核的硬件防火墙，及差分功率剖析(DPA)方法，它们相互合营，使全体系统根据须要对安全进行分层，从而保护硬件和数据。
与基于微掌握器或DSP的履行比较，基于FPGA的电机掌握履行的关键优点是确定性、扩展性和性能、可靠性，以及耐用性及安全性。
确定性— 在MCU或DSP履行中，任务顺序运行，实行韶光和中断优先等级不同。ISR的实行韶光不一定受到限定，因此可能导致不愿定。与此相反，FPGA并走运行任务，每个任务的实行韶光是确定的，并且总是产生确定性的输出。
扩展性和性能 - 对更高开关频率的多轴电机掌握来说，MCU/DSP的性能并非最优化。高速电机哀求较高开关频率(如500 kHz)和‘ => 2 µs ’ FOC回路实行。MCU硬件架构(PWM、ADC和GPIO)在掌握多个电机方面存在局限性。采取FPGA履行，高等现场定向掌握(FOC)的实行韶光是1 µs。用于FOC的TDM可用于掌握多个电机。任何I/O引脚均可配置用于PWM和ADC接口，FPGA集成了多个工业以太网协议、HMI和其它范例MCU/DSP不支持的接口。
可靠性和耐用性 – MCU和DSP易受软失落效(SEU)的影响，产品利用寿命短。FPGA不受SEU影响，并且抗多种运用中的辐射，而产品利用寿命常日在20年以上。
安全性 –基于MCU/DSP的履行存在修改、克隆和制造过多的风险，而基于FPGA的履行则拥有防修改、安全启动、安全通信和强大的安全传承特性。
图2：SmartFusion2双轴电机掌握启动器套件(SF2-MC-STARTER-KIT)
电机开拓职员要知足本日的能源效率法规和新技能哀求，同时要确保设计可扩展以支持不同的多轴电机或高迁徙改变速率办理方案组合，非常富有寻衅性。基于Flash的SoC FPGA应对了这些寻衅，将处理能力与硬件和软件编程性和集成新特性和功能的能力相结合，同时促进了多层安全性。它们供应了前辈的特性，如多轴掌握、确定性相应、并行处理、功能集成和灵巧性，使设计职员能够降落系统的总体拥有本钱(TCO)。
