Около Брайан Фортман | Менеджер по маркетингу DesignDRIVE, микроконтроллеры C2000 | Texas Instruments
Многие производители промышленных инверторов и сервоприводов полагаются на технологию программируемых в полевых условиях вентильных матриц (FPGA) или ASIC для выполнения функций, не поддерживаемых коммерческими готовыми продуктами (COTS), такими как 32-разрядные микроконтроллеры (MCU).

Однако у этих технологий есть свои недостатки.

Показательный пример: добавление ПЛИС и ASIC к программируемым контроллерам для поддержки обратной связи с датчиками положения (или сигма-дельта-фильтрации) также увеличивает стоимость системы и сложность разработки. Поэтому проектировщикам следует задаться вопросом, обеспечивают ли функции, размещенные в ПЛИС, реальную дифференциацию продуктов drive. Будут ли клиенты платить больше за функции в ПЛИС? Или эти функции стали стандартными для каждого производителя приводов? Короче говоря, являются ли они просто настольными ставками для игры в промышленных приводах и сервоприводах? Давайте выясним.

Внедрение ПЛИС в процесс разработки приводов сопряжено с определенными трудностями, и (как мы увидим) новые возможности SOCS для управления промышленными приводами (микроконтроллеры COTS) меняют модель соотношения затрат и выгод при использовании ПЛИС для промышленных приводов.

Сначала немного предыстории: ПЛИС получили распространение в архитектурах с инверторным приводом, когда новые системные функции были невозможны при наличии микроконтроллеров COTS, доступных в то время. Например, многим разработчикам приходилось реализовывать свою специфическую схему защиты PWM/IGBT вне микроконтроллера. Другие, возможно, сочли, что их текущее время цикла было слишком коротким для обработки программируемым микроконтроллером, поэтому могло быть выполнено только в gates.

Как только ПЛИС встроена в систему, она становится логичным местом для интеграции поддержки новых технологий, появляющихся на развивающемся рынке. Итак, ПЛИС стали интегрировать порты вращения по часовой стрелке и против часовой стрелки (CW /CCW) и вывода последовательности импульсов (PTO) для связи с ПЛК и контроллерами движения. Затем ПЛИС начали поддерживать появляющиеся стандартные и запатентованные интерфейсы датчиков положения, такие как EnDat и BiSS. Затем в устройства FPGA были интегрированы схемы фильтрации для модулированных выходов изолированных сигма-дельта АЦП. Кроме того, некоторые промышленные стандарты Ethernet сделали свои контроллеры MAC доступными в элементах управления FPGA.

По мере того как ПЛИС осваивали это расширение функций привода, возникала новая динамика. Контроллеры COTS начали внедрять эти функции на чипе и создавать готовые функции, которыми может воспользоваться любой разработчик приводов.

Разница здесь существенная: встроенные функции доступны разработчику для немедленного использования — то есть для покупки микроконтроллера по каталогу без необходимости самостоятельно создавать эти решения с использованием ПЛИС. Таким образом, разработчики теперь могут избежать многих подводных камней ПЛИС.

ПЛИС можно перепрограммировать, и большинство считает, что они обеспечивают адаптивность системы и улучшенную производительность системы, но у них есть недостатки по сравнению с микроконтроллерами для промышленных приводов. Разработчикам следует взвесить влияние специализированных инженерных навыков, общих проектных усилий и общей стоимости системы при использовании ПЛИС.

Многие разрабатываемые системы приводов поддерживают программируемый микроконтроллер COTS C или микропроцессор, соединенный с ПЛИС. Среды генерации кода на языке Си и отладочной разработки процессора хорошо известны и являются обязательными. Внедрение ПЛИС в систему требует дополнительного процесса разработки и набора инструментов. Несмотря на заявленные достижения в простоте использования этих инструментов, обычно не один и тот же инженерный персонал разрабатывает C-код MCU и VHDL-код FPGA.

Более того, стиль кодирования на VHDL и процесс разработки сильно отличаются от разработки программного обеспечения MCU и требуют специальных инженерных ресурсов. Кроме того, сотрудники по разработке ПЛИС также должны стать экспертами низкоуровневого и системного уровня для аппаратного IP, который они внедряют. Они не только должны знать, как реализовать VHDL для BiSS master, например, но им также необходимо знать протокол BiSS — поскольку им необходимо подтвердить, что их реализация на ПЛИС соответствует (в данном примере) требованиям к датчикам BiSS.

Этот специализированный набор инженерных навыков, возможно, не каждый производитель систем управления движением или инверторов может позволить себе нанять сотрудников — и это, безусловно, отвлекает усилия от их истинной дифференциации характеристик управления движением и двигателем

Как мы увидим, вероятно, проще просто использовать микроконтроллер, который изначально поддерживает BiSS-кодеры.

Разработка FGPA — это индивидуальный дизайн. С точки зрения разработки, менеджеры должны рассматривать создание ПЛИС как индивидуальную разработку. Их команды разработчиков повысили уровень владения и ответственности за функции продукта, выводимые на рынок в виде ПЛИС. Если VHDL не закодирован или не протестирован должным образом, они не могут обратиться к поставщику ПЛИС; они могут обратиться только к самим себе как к причине проблемы, а также к самим себе как к источнику решения.

При сравнении модели разработки ПЛИС с использованием микроконтроллера COTS пользовательские обязанности выходят далеко за рамки пользовательских шлюзов, встроенных в ПЛИС. Влияние печатной платы (PCB), интерфейс на уровне микроконтроллера/регистра, абстракция программного обеспечения и общая системная интеграция — все это нестандартные, а не готовые решения. Помимо простой разработки, эта модель сопряжена с дополнительными инженерными сложностями в области поддержки клиентов, выпуска обновлений продукта и долгосрочного соответствия требованиям по мере выпуска или пересмотра новых интерфейсных компонентов.

Как мы увидим, проще использовать стандартный микроконтроллер с реализованными этими функциями и позволить поставщику взять на себя ответственность за все продуктовое решение, включая аппаратное обеспечение, программное обеспечение, инструменты и дизайн.

Следующим и наиболее очевидным является влияние дополнительных компонентов на спецификацию материалов. Стоимость ПЛИС выходит за рамки простой цены за единицу продукции. Устройствам FPGA требуется дополнительная площадь печатной платы и контакты для подключения микроконтроллера и источника питания. Эти затраты неизбежны при использовании ПЛИС, но их можно избежать, если эти функции уже существуют в микроконтроллере drives SoC. Исследования показывают, что некоторым ПЛИС даже требуется дополнительная (или более сложная) схема питания, чем сами SOC-устройства приводов.

Что еще хуже, при внедрении FPGA вводятся элементы, которые в противном случае не нужны системе — такие как регистровый интерфейс к микроконтроллеру и интерфейс к внешнему аналого-цифровому преобразователю (АЦП) для измерения фазного тока и напряжения. В отличие от этого, SOC накопителей включают в себя высокопроизводительные АЦП, созданные для приложений накопителей, и не требуют этой дополнительной логики. Таким образом, использование одного SoC COTS drives открывает множество возможностей для снижения общей стоимости системы по сравнению с Архитектуры MCU и FPGA.

Фактически, некоторые микроконтроллеры обеспечивают этот более высокий уровень интеграции приводной системы с философией целостного продукта, которая приносит пользу разработчикам drives, снижая потребность в специальных инженерных талантах. Эти устройства «система на кристалле» (SoC) выполняют несколько функций, традиционно выполняемых ПЛИС, включая быстрое вычисление контура крутящего момента; фильтрацию модулированных сигналов дельта-сигма АЦП; высокопроизводительные ШИМ; защиту от ШИМ и взаимодействие с датчиками положения производительности.

Фактически, встроенная в микроконтроллер подсистема компаратора и возможности зоны отключения ШИМ могут вызвать безопасное состояние ШИМ (выключено) за 50 нсек. Эти микроконтроллеры обладают гибкостью при создании встроенных условий для запуска события в зоне отключения. Разработчики могут реализовать множество концепций защиты от ШИМ, используя эти встроенные ресурсы, устраняя необходимость размещения схем во внешних ПЛИС.

Учтите, что некоторые новые микроконтроллеры и программное обеспечение также обеспечивают простое и прямое подключение к датчикам абсолютного положения EnDat2.2 и BiSS-C, для которых в прошлом требовались ПЛИС. Более того, используя некоторые из сложных аналоговых схем на кристалле, эти устройства могут декодировать сигналы распознавателя, а также углы от датчиков SIN / COS. Одно из таких решений является первым в своем роде, предлагающим широкую поддержку датчиков положения, гибкость, масштабируемость и надежность, что позволяет разработчикам снизить стоимость системы — в частности, за счет уменьшения площади платы FPGA или ASIC.

Чтобы было понятно, встроенные решения для промышленных приводов (интегрированные в микроконтроллеры реального времени COTS) экономят место на плате и усилия по разработке, что освобождает разработчиков от ненужных инвестиций в функции, которые не являются отличительными в отрасли. Вместо этого разработчики могут сосредоточиться на дифференциации продукта и таких компетенциях, как управление двигателем и передвижением, а не на создании ПЛИС или написании сложного кода, необходимого для выполнения недифференцирующих задач.

Texas Instruments | www.ti.com/c2000 • www.ti.com/tool/designdrive