赛灵思基于FPGA平台的PFM电机控制方案有何优势?

2013-08-11 21:43:04来源: 21ic
   

据了解,目前大多数工业电机控制采用的是基于MCU或DSP平台的PWM算法,而这一类方案都会带来不可避免的EMI问题,此外还经常会有能效不高和时延较长等问题的出现。PFM在理论上是一种比PWM更好的电机控制算法,因为它可以实现更高的能效和更低的EMI。

Xilinx欧洲电机控制专家会同第三方合作伙伴率先在业内实现基于PFM算法的电机控制方案。电机设备供应商采用PFM电机控制方案,就可以节省很多EMI消除措施带来的额外成本。虽说基于MCU和DSP平台的电机控制解决方案有着低成本的优势,但基于FPGA平台的电机控制方案可将电机控制的时延做得更小和更精准,从而将电机的能效做得更高,使电机设备的附加值或差异化优势就更大。

毫无疑问,高端电机设备制造商会更希望FPGA供应商能够提供时延更短、更精确的电机控制方案,以帮助他们实现产品的差异化特色。

数据来说明一切

更低的时延:目前业内通常用MCU实现的电机控制方案一般有40-50us的延时;用DSP实现的电机控制方案一般也要20-30us的延时;如果用Spantan-6 FPGA来实现电机控制的话,最低时延可降低到2.5us。由于MCU和DSP都是串行运算机制,如果用它们来控制4或8个电机时,最长时延就会增加4倍或8倍;而FPGA是并行计算机制,不管用它控制多少个电机,每个电机的时延都是一样的,都可做到2.5us。

成本优势:单纯从单板购买成本上讲,如果要同时控制的电机数量超过8个,那么用FPGA来实现控制性价比是比较有优势的。事实上,Xilinx争取的电机控制市场也就是那些对性能要求比较高的多电机应用场合。

延长电机寿命:电机是今天最耗电的设备,66%的电网电力都消耗在电机上,如果电机控制的好,那么在电机上省下来的钱就远远不是控制芯片价钱的数量级。而且电机寿命取决于控制方法,如果控制得好,那么电机的寿命就会延长。更换电机常常意味着生产线要停下来,这也是为什么今天的高端电机设备制造商都在寻找更高端电机控制方案的背后原因。

可扩展性:赛灵思PFM电机控制方案具有可扩展性,能从Spantan-6 FPGA平台移植到ZYNQ-7000 FPGA平台上。

关于PWM和PFM

PWM是英文“Pulse Width Modulation”的缩写,意为脉冲宽度调制,简称脉宽调制,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

PFM英文全称为Pulse frequency modulation,意为脉冲频率调制,是一种脉冲调制技术:调制信号的频率随输入信号幅值而变化,其占空比不变,通常被应用于DC-DC转换器来提高轻负载效率。

PFM的特点

脉冲频率调制(PFM)方式具有调频特性,可望有较高的传输信噪比,而且信号的脉冲形式便于中继传输、再生整形, 因而既可放宽对系统线性的容限要求,又可获得较好的抗干扰能力。脉冲频率调制(PFM)以传输性能远优于基带直接光强调制及成本远低于脉冲编码调制而在光纤通信中得到广泛的应用。

脉冲频率调制与脉冲宽度调制的比较

1.脉冲频率调制优点

脉冲频率调制(PFM)相比较脉冲宽度调制(PWM)主要优点在于效率:

a、对于外围电路一样的脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)而言,其峰值效率PFM与PWM相当,但在峰值效率以前,脉冲频率调制(PFM)的效率远远高于脉冲宽度调制(PWM)的效率,这是脉冲频率调制(PFM)的主要优势。

b、脉冲宽度调制(PWM)由于误差放大器的影响,回路增益及响应速度受到限制,脉冲频率调制(PFM)具有较快的响应速度。

2.脉冲频率调制缺点

脉冲频率调制(PFM)相比较脉冲宽度调制(PWM)主要缺点在于滤波困难

a、滤波困难(谐波频谱太宽)。

b、峰值效率以前,脉冲频率调制(PFM)的频率低于脉冲宽度调制(PWM)的频率,会造成输出纹波比脉冲宽度调制(PWM)偏大。

c、脉冲频率调制(PFM)控制相比脉冲宽度调制(PWM)控制 IC 价格要贵。

关键字:PFM电机控制  赛灵思

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2013/0811/article_3375.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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