MCU是目前市場主流的電機控制方案，適用于高、中、低端電機控制。通過內部集成的電機控制模塊，可簡化客戶對于電機控制的開發；而相對于DSP較強的控制功能，能更好地實現電機的伺服控制和保護功能。此外在32位處理器，通過提高運算處理速度，也可以很好地實現空間矢量、磁場定位和PD閉環調節的復雜控制。

對于小型BLDC冷卻風扇等簡單的低功耗電機控制應用來說，專用標準電機控制IC可以實現低成本。但對要求苛刻的應用來說，就更適合使用DSP、MCU和FPGA，因為可以增加其他系統管理功能，例如監測電機參數和狀態，以及與主機系統的通信等。“不過，DSP、MCU和FPGA需要外部柵級驅動器和功率器件。”Diodes全球策略市場經理Khagendra Thapa表示。

“目前，8位MCU主要用于低成本，低性能場合，16位、32位DSP/MCU則用于中/高性能場合。其中DSC的性價比是比較高的。”飛思卡爾微控制器事業部高級系統工程師Charlie Wu指出，“FPGA主要用于與DSC/MCU配合產生特殊的PWM信號，它主要用于大功率應用場合。”

“關于電機控制方案，DSP、MCU和FPGA各有其優特點。DSP因為數據處理能力強、運算速度快，適用于高端復雜的電機系統控制，如實現交流感應電機的空間矢量控制算法、無傳感器的空間定位等，但它依賴于軟件算法的成熟度和穩定性，對開發者的要求比較高。此外因為內核電壓及接口電平主要是3.3V或者1.8V，對電機驅動器需要相關電平的驅動電路支持。”富士通微電子（上海）有限公司產品經理彭濤分析指出，“FPGA通過集成邏輯電路及專用電機驅動電路，能夠很好地適用于客戶化的電機驅動，但在電機控制的通用性方面略有不足。”

“單片機帶DSP的功能一般運用于比較高端的，速度要求比較快的應用。英飛凌的16位單片機和32位單片機都是帶 DSP功能的單片機，其中32位支持浮點運算。”英飛凌科技（中國）有限公司工業及多元化電子市場事業部銷售及業務開發高級總監石敬巖先生指出，“FPGA有自己的特點，它很靈活，但入門門檻高，單價高。一般用于量不大的領域。”

FPGA廠商的觀點如何呢？本文請到了兩家FPGA廠商談談其產品在電機控制方面的應用現狀。

張宇清

賽靈思亞太區市場及應用總監

現在的電機控制需要高性能和高效率，對控制精度和響應時間提出了更高的要求。基于異步電動機矢量控制的技術自70年代發明以來得到了極為廣泛的應用。這種控制方法現已較成熟，已經產品化且產品質量穩定。但是因為這種方法采用了較復雜的坐標變換，所以對控制器的運算速度、處理能力等性能要求較高。另外在對于一些考慮成本和周圍環境的地方，無速度傳感器技術也得到廣泛重視。這無疑也對芯片的處理能力提出更高要求。隨著現代控制理論、MCU/DSP/FPGA等半導體器件以及電力電子開關器件的迅速發展，實現高性能無速度傳感器的矢量調速系統是未來電機控制市場的發展趨勢。

MCU通常側重于I/O接口的數量和可編程存儲器的大小，非常適用于有大量的I/O操作的場合，所以廣泛應用在低成本,低功耗和對精度要求不高的系統中。但由于本身處理能力有限，應用的場合受到了比較大的限制。DSP芯片內部集成了模/數轉換、數字輸入/輸出、串口通信、電機控制PWM信號輸出等接口，因此使得電機控制系統硬件設計靈活、簡易，而且DSP比較擅長高速運算，所以一般用于相對高檔的控制系統中，如伺服電機控制。FPGA則在高端電機應用中顯示出卓越的性能，它實現了快速響應、多軸同時處理、靈活多樣的外設接口、多種工業總線的支持。

對于電機控制提出的不同要求，FPGA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，所以可以使系統達到很高的性能。當前電機控制的發展越來越趨于多樣化、復雜化，現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專用的控制芯片，FPGA的可編程性正是可以滿足這種需求。

目前大部分產品都把電流環控制作為DSP的一個協處理來考慮，而速度或位置環控制則由DSP芯片來實現。一般情況下，由于位置控制比較靈活，且差異性比較大，很難做到通用性，所以位置環一般由DSP來直接完成；但速度和電流環相對具有通用性，且互相關聯緊密，以致高性能的速度控制都離不開電流控制，因此完全可以把它們集成到一個芯片中處理，這樣既可以實現速度伺服控制，又可以單獨進行電流控制，還可以和DSP共同構成位置伺服系統。賽靈思FPGA內部還提供了32位MCU Microblaze，則可以進一步把位置、速度、電流三種控制全部由一片FPGA來實現，客戶可以完全定制出一款滿足特殊需要的SOC芯片。而且一旦試制成功如要大批量生產，還可以按照FPGA的設計直接定做ASIC芯片來降低成本。另外，FPGA在很多場合也充當MCU/DSP的協處理功能，在組合邏輯、總線和接口擴展方面也充當著十分重要的角色。

另外隨著工藝技術水平的提高，FPGA芯片在功耗和成本方面也越來越顯示出明顯的優勢。賽靈思公司最近推出的Spartan-6系列是基于45納米技術，十分適合工業控制的應用，它內部集成了DSP硬核、存儲控制器硬核、PCIe硬核等先進技術，客戶可以實現矢量控制算法，高速互聯來滿足復雜的伺服系統要求。

FPGA作為MCU/DSP協處理器功能已經廣泛應用在大部分電機控制產品中，提供了諸如邏輯、接口擴展和總線功能。同時賽靈思的第三方，如賽靈思授權代理商安富利公司也提供了大量的外設接口和工業總線IP核，豐富了電機控制領域的應用。

賽靈思會在近期推出基于交流電機矢量控制的參考設計，并提供演示板和FPGA源代碼。客戶可以在此平臺基礎上開發適合自己應用的產品。我們還計劃提供運動控制引擎和直接轉距控制的算法實現，給客戶提供更多的選擇以滿足現場更高性能的需要。

我們的FPGA芯片已經在高端數控機床、高端伺服系統、高端變頻器、激光打標機、機器人產品中得到了廣泛應用。國外的大企業如Siemens、GE、ABB等大多采用FPGA做為核心處理平臺來實現一片SOC的解決方案。目前國內企業在高端伺服產品的研發水平還遠遠落后于國外、但我們相信在中國政府鼓勵國內企業研發自己知識產權的產業政策下，FPGA必將充當越來越重要的角色。

Mike Brogley

Actel公司IP與解決方案產品市場推廣經理

現在，市場已經出現廣泛的采用電機控制的新興市場應用，因此也對電機控制器/驅動器提出不同的要求。用于AC和DC電機控制的新設計必須具備以下特點：高效率、盡可能低的功耗；工作時間較長而性能不受影響。

傳統上，嵌入式系統設計人員一直考慮采用MCU+ASSP解決方案。然而設計人員通過使用結合MCU、模擬外設、嵌入式閃存、可編程邏輯，以及真正的單芯片運作的解決方案(如SmartFusion)，現在可以實現先前僅有定制解決方案能夠達到的高集成度水平。

SmartFusion智能混合信號FPGA對系統運作有著重要的影響。由于ARM Cortex-M3處理器是與FPGA架構分離的標準單元模塊，這樣，二者可以獨立地運作。因此，FPGA架構在進行重新編程時，無需中斷處理器的運作。這也允許在處理器處理關鍵性的系統功能的同時，根據需要更新用戶邏輯的功能。同樣地，在處理器固件更新期間，用戶邏輯也可以繼續運作。

該智能混合信號FPGA提供了以下性能優勢：可定制的穩健的PWM，實現更精密的控制算法；相比軟件解決方案，具有速度更快、確定性更高的控制系統，從而減少電流紋波和噪聲；即時響應用戶I/O(如緊急制動報警)；控制算法的硬件加速；高速閃存能夠更快地訪問查找表等。

Actel的DSP設計流程可讓設計人員使用Matlab和Simulink，配合完備的DSP blockset和Actel IP集，以較高的抽象水平來評測算法。DSP設計人員現在可以使用我們業界領先的工具集，運行一個無縫、直觀的設計流程，來解釋、優化和驗證RTL級、邏輯門級和物理級設計。

在傳統的電機應用中使用更小、更具成本效益的電機，漸漸成為工業領域使用電子電機控制技術的一個重要因素。SmartFusion FPGA可為需要真正的系統級芯片(SoC)解決方案的嵌入式系統設計人員提供比傳統固定功能微控制器方案更大的靈活性，且成本比嵌入軟核處理器傳統FPGA方案低得多。

SmartFusion FPGA提供了一個低功耗、單芯片方案，優化AC感應電機中的轉差頻率控制。它集成了CPU、NVM、ADC，以及模擬接口，增強了控制回路，并提高了效率、可靠性和節能性能，使得電機具備更高的效率和更低的功耗。此外，大容量嵌入式非易失性存儲器能夠提供所需的安全性以保護定制的控制算法。Actel正在積極開發基于SmartFusion的永磁同步電機的多軸電機控制解決方案，特點是使用SmartFusion的獨特優勢進行精密的控制算法。

Actel同時通過IGLOO超低功耗FPGA系列，滿足低功耗和手持式應用的要求，是用于微型電機控制的理想解決方案。在無刷DC或步進電機中，IGLOO系列可以用于有傳感器或無傳感器的應用。

SmartFusion和IGLOO系列廣受歡迎，因其具備以下特性和優勢：

* 以單芯片方案實現多個電機的高性能精密有源控制，減低材料清單成本和組裝成本，以及減小占位面積并提高系統穩定性。

* 管理功率、方向、速度、轉矩，并提供保護以防止過載或故障

* 采用FPGA來實現超快速的閉環算法，而Cortex-M3則管理其余部分

* 電機控制開發工具套件帶有五個參考設計，用于演示和實驗室開發

* 開發周期很短，實現產品快速上市