白皮书在新一代智能家电中采用FPGA实现节能电机控制.PDFVIP

白皮书 在新一代智能家电中采用 FPGA 实现节能电机控制 引言 家电是现代生活方式的核心。消费者希望家电产品不但 “智能”、“绿色”，当然还要价格合适。所有这些 需求都促使当今的家电设计人员推出真正的高技术产品。 多年以来，智能家电采用微控制器单元 (MCU) 和数字信号处理 (DSP) 模块等通用电子器件来管理用户接 口和电机控制等功能。这些由通用硬件制造的器件性能有限，家电设计人员只能通过软件来实现专用功能。 而家电设计人员利用 FPGA 能够自由地开发定制功能，以非常低的成本实现硬件和软件的定制化，完全满 足其特殊应用需求。这种自由的设计为增强系统性能打开了新空间，特别是在节能电机控制方面。考虑到 国内 50％的能耗来自家电 ( 在工业化国家中 )，以及能源价格和日益重要的环保要求， FPGA 可以帮助家 电设计人员开发更环保的产品，获得能源之星认证，进一步降低客户的成本。 本白皮书介绍家电设计人员怎样利用 FPGA 技术和 Alizem 电机控制知识产权 (IP) 来设计新一代家电，将 包括电机控制在内的所有功能集成在一个芯片中实现。 电机控制基础 家电能效之所以能够在最近几年大幅度提高主要是由电机控制技术变革带来的。和以前的家电相比，基于 功率变换器的变速电机驱动功能可以节省 60％以上的电能。利用电路中电机控制器管理的电源晶体管，这 一技术将电源输出的固定频率 / 固定振幅电压转换为可变频率 / 可变振幅电压。因此，通过电机控制器功 能，可以在性能和总能耗上实现最佳功率转换。 家电电机控制 电机控制系统是洗衣机、甩干机、冰箱和洗碗机的核心，而电机控制技术取决于所采用的电机类型。家电 中最流行的两类电机是永磁同步电机 (PMSM) 和感应电机 (IM)。家电设计在能耗和噪声上达到较高的质 量水准是满足客户需求的关键，这样才能在成本上具有竞争力，符合环保和用电规范。据美国能源部，在 洗衣机中使用基于功率变换器的变速电机驱动功能每年可节省 140 kWh 的电力，并相应的在热水使用上每 年节省 2,374 kWh。 (1) 在电机控制中使用 FPGA 和定制 IP 的优势 电机控制是一种非线性时变参数应用，电机和电子开关中的电流迅速变化，需要进行大量的计算。以前， 通过在单独的 MCU/DSP 芯片上运行电机控制软件来达到这种计算要求，这类芯片一般集成了普通的通用 脉冲宽度调制 (PWM) 模块。然而，这种系统体系结构无法在电机控制应用中实现最佳功耗和性能，也不 能提高集成度。本文下面介绍怎样借助 Altera? 低成本 FPGA 和 Alizem 电机控制 IP 的功耗、性能、安全 性、可靠性、系统成本和集成优势来帮助设计人员开发更节能的高性能家电电机控制系统。 功耗优势 任何电流控制方法的关键都是通过使用一种 PWM 技术来实现电压激励。 PWM 控制功率变换器晶体管状 态，以满足电压激励的时间平均值。这些方法减小了电机和功率变换器的损耗，同时提高了直流总线的电 压利用率。 FPGA 的真正优势在于它可以根据需要来定制实现以前 MCU 或者 DSP 模块中功能固定的通用硬件。对此， FPGA 中的专用PWM IP内核针对能效和电机参数进行了全面优化，可以替代MCU或者DSP电机控制芯片中 的标准 PWM 模块。图1显示了与 MCU 或者 DSP 模块中的标准 PWM 相比， FPGA 中经过优化的 PW