运动控制和混合信号FPGA

　　脉冲宽度调制(PWM)

　　PWM逻辑并不是所有运动控制应用都适用的方案。由于不同电机的绕组圈数、额定电压/电流、扭矩曲线和其他参数的差异很大，因此每种PWM系统都需要对这些差异加以考虑。在PWM控制的系统中，施加电压的顺序决定电机的转动方向。在给定绕组电感下，占空比(或者说脉冲频率和脉冲串长度) 决定了电机的峰值电流和磁通量(即其扭矩大小)。机械动量和绕组电感(部分由绕组圈数所决定) 会使PWM电压变得平滑。通过控制驱动电路的加压顺序、频率和占空比，PWM 系统就可控制方向、速度和平均扭矩。利用FPGA 器件，设计人员可以构建最适合系统要求的PWM方案，而不必非得采用传统的MCU/DSP方案来实现。

　　正交编码器接口(QEI)

　　大多数高精度电机(如用于机械手的伺服步进电机) 都支持正交编码器接口。控制系统必需提供正交编码器接口逻辑来精确电机速度、位置和加速。当然，采用可编程逻辑技术便可在各种模式下取决于运动控制系统中采用的电机特性，精确并动态地调节速度。

　　传感器输入

　　对于闭环运动控制系统，需要有转子位置和/或转数输入。这些输入可以是内置的霍耳效应传感器或外接的光学位置编码器、同步解析器或磁感应传感器。利用集成的模拟前端，混合信号FPGA将提供更加集成的解决方案，能够减少部件数、降低系统成本和提高可靠性。

　　可靠性和系统正常运行时间

　　对于今天的电子系统，高性能、低集成成本和快速诊断能力非常关键。诊断和预报，即确定故障类型并作出预报的功能，在系统管理中的重要性越来越高。读取带有时间标记系统参数的各种板卡运行的功能或事后分析故障的功能对于系统开发是无价之宝。同样地，能构建出一个"黑匣子"将为查找故障类型和设计缺陷节省宝贵的时间和精力。

　　混合信号FPGA的片上Flash 内存可保存关键的系统参数，并对其作时间标记，如电源线路电流消耗、器件温度和电压波动等。这些数据不仅可用于事后故障分析，而且还可让创新的设计人员用于运行中的系统趋势分析。例如，设计人员可以测量(当输入某一电压时) 绕组的电流和电机的振动，以确定什么情况下按计划的方式关闭设备。在工业应用中，从解决故障问题所需的成本以及设备关闭所造成的利润损失来考虑，按计划的方案关闭设备比意外关闭的费用要少得多。混合信号FPGA可让设计人员通过分析某一特定参数如何改变板卡的寿命，在故障发生前作出预报，从而最大限度地提高机器利用率，延长系统的正常运行时间，并降低可能造成重大损失的系统崩溃风险。

　　电机的应用范围很广，而且许多应用都正在由机电设计转向电子设计。计算机和功率电子器件的成本一直是推广电子电机控制广泛应用的障碍之一。随着半导体工艺和功能集成技术的进步，这个障碍正在慢慢消失。而且，由于今天采用固定功能实现方式的成本仍然很高，常常需要不同的部件和在各个设计反复环节作板卡级变更，FPGA遂成为了许多运动控制应用的替代解决方案。

　　理想的运动控制设计往往需要将一些可协同操作的部件放在一起，使它们能在运行中和谐配合。而混合信号FPGA解决方案的功能集成度非常高，正好能满足这种需求，可以大幅减少部件数目、板卡空间和整体系统成本，从而增加系统的可靠性和正常运行时间。