三大電機控制方案之FPGA篇：Actel Fusion

　　功率管理和熱管理

　　Fusion 器件具有 0 級上電即用 (LAPU) 功能，只需 3.3V 單電源便可運行。由于啟動要求不高，Fusion 器件可充當終極的系統管理器，能夠監視和控制板上各個電源的上電順序。各個電源的電壓上升速率可通過Fusion 器件進行編程。結合其溫度監控功能和 MOSFET/PWM 性能，Fusion 器件能輕易集成系統控制板的熱管理能力。

　　動態系統配置

　　Fusion 器件可將多項系統級功能集成在一個單芯片中，因而成為許多前沿系統管理協議的理想載體。

　　低功耗

　　基于采用低功耗、高性能的Flash內存工藝，Fusion 器件提供業界領先的低靜態和動態功耗。Fusion 器件還具有多項睡眠和待機工作模式，進一步延長便攜式設備的電池壽命。Fusion 器件的實時計數器(RTC) 能實現各種功能，如睡眠、待機、定期喚醒、低速或低功耗運行。此外，它還配有 1% RC 振蕩器和雙引腳晶體振蕩器電路，能夠省去昂貴的外部時鐘源。

　　重新配置系統

　　Fusion 器件架構繼承了 Microsemi 成功的 ProASIC?3 系列 Flash PGA的可配置性和現場可編程性優勢，能在制造過程中或制造完成后在現場安全地進行編程。由于Fusion 器件可以在單一硬件平臺支持多種項目和產品，因此能讓設計人員享有批量采購器件的優勢，并同時針對不同市場進行產品的定制設計。而固件 (Flash 內存) 和硬件的更新都能在一個步驟中完成。

　　Actel Fusion FPGA的無刷電機(BLDC)控制

　　1 前言

　　無刷直流電機(BLDC)具有體積小，無機械觸點，壽命長，安裝方便的優點，一直都是電機應用的研究熱點。目前無刷電機控制基本上都是采用霍爾傳感器作為轉子位置反饋元件，但位置傳感器的存在不僅增加了電機的體積和成本，很大程度上還成為電機的故障源之一，使系統可靠性降低。所以無位置傳感器的無刷電機控制方案業已成為當前的研究熱點。

　　近年來，采用數字控制的無位置傳感器控制技術，已逐漸成為今后無刷電機控制的發展趨勢。在此采用Actel公司的Fusion系列混合信號 FPGA為控制器核心，設計了一款無位置傳感器無刷電機控制器。采用Fusion內部特有的12位多路高速A/D轉換器，實現電機反電動勢檢測，使用內嵌的51軟核實現速度閉環控制算法，成功實現無刷電機無位置傳感器控制方案，具有系統硬件方案簡單，集成度高，可靠性好，調速精度高等優點。

　　2 系統方案設計

　　2.1 Fusion FPGA簡介

　　Actel Fusion系列器件是業界首款也是唯一具有模擬功能的Flash架構的FPGA，融合了FPGA數字內核、A/D轉換器、Flash存儲器、模擬的I /0、RTC等數字和模擬器件。Fusion器件內部具有2～8 Mbit不等的用戶可用Flash存儲器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks/s采樣率的A/D轉換器，片內100 MHz的RC振蕩器與PLL(鎖相環)一起共同為FPGA提供時鐘，以節省外部時鐘的開銷。這些特點極大地提高了該系列FPGA器件的功能，簡化了系統設計，大幅度減少了電路板面積和系統總成本。當Fusion系列FPGA器件結合8051，CortexMl，ARM7等軟件MCU核時，還可以實現真正的 SoC系統。Actel Fusion系列FPGA器件是迄今為止最全面的單芯片模擬與數字可編程邏輯系統的解決方案。

　　2.2 控制器方案設計

　　根據無刷電機反電動勢檢測法原理，結合Actel FusionFPGA的內部功能特性，設計了圖1所示的無刷電機控制方案。

　　在該設計方案中，Fusion AFS600作為控制器核心，用內嵌的軟核8051 MCU實現控制算法，高速12位A/D轉換器分別檢測三相繞組的反電動勢和外部電位器設定電壓。電位器設定電壓用于確定電機的轉動方向和轉速。通過 FPGA邏輯實現LCD液晶屏接口，用于顯示設定轉速和實際轉速。此外一個重要的模塊是三相PWM波形發生模塊，通過可編程計數器實現。PLL模塊用于向單片機、A/D轉換器和PWM模塊提供基準時鐘信號。

　　外圍電路主要包括：LCDl602字符型液晶顯示器、設定轉速的電位器和無刷電機驅動器。無刷電機驅動器采用A3935三相全橋器件配合6個大功率NMOS管IRF2807S實現完整的無刷電機控制方案。每項繞組的反電動勢通過串聯電阻分壓并濾波再送入Fusion AFS600內部的A/D轉換器。A3935是一款汽車級三相功率MOSFET驅動器，特別適用于無刷電機控制，具有過壓、欠壓、過流、過熱、短路和開路監控功能，功能強，可靠性高等功能。

　　2.3 三相PWM產生

　　設計方案中采用Fusion的邏輯門電路實現了PWM頻率和占空比可連續調節的PWM發生模塊。其中，設定的頻率參數和占空比可根據 A/D轉換器采集的電位器電壓值轉換為相應的參數值，只要調節外部電位器就能產生6路占空比可調的PWM信號波形。下面給出的相關代碼是采用 VerilogHDL語言編寫的一部分三相PWM的源碼。圖2示出用示波器測出的其中兩路PWM信號波形。