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Industrielle Motorsteuerung auf FPGA-Basis.
IE-Implementierung: FPGA-Lösung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber ASSP-Designs oder Lösungen mit separaten Antriebs- und Kommunikationsmodulen.
Ein FPGA-basiertes Design für eine komplette Antriebslösung auf einem Chip ermöglicht die geringsten BOM-Kosten und die kleinsten Abmessungen.
Industrielle Motorsteuerung auf FPGA-Basis.

Eine Drehzahlregelung in Motorsteuerungssystemen (VSDs: Variable Speed Drives) bietet die Möglichkeit, die Leistungsaufnahme signifikant zu senken. Allerdings erfordern VSDs komplexe Steuerungsalgorithmen, die von Standard-Mikrocontrollern oder DSPs oft nicht ausgeführt werden können, speziell dann, wenn zusätzlich noch andere Funktionen wie Networking oder Sicherheits-Features realisiert werden müssen.

In FPGAs hingegen können die meisten Funktionsblöcke eines Motorsteuerungssystems implementiert werden. Darüber hinaus können die FPGAs auch die Regelungsschleifen und das System-Management übernehmen. Mit den integrierten Soft-Prozessoren lassen sich System-Management und Industrial-Ethernet-Protokolle wie EtherCAT oder Profinet implementieren, während die FPGA-Logik die zeitkritischen Motorsteuerungsalgorithmen wie eine feldorientierte Regelung (FOC: Field Oriented Control) sowohl mit Fest- als auch Gleitkommazahlen ausführen kann.

Ingenieure, die Motorsteuerungen entwickeln, sind zwar grundsätzlich vertraut mit der entsprechenden Software und den DSP-Algorithmen, aber nicht unbedingt routiniert im Umgang mit FPGAs oder RTL-Designs. Modell-basierende DSP-Entwicklungsumgebungen (zum Beispiel Matlab/Simulink) in Kombination mit blockbasierenden Tools wie dem DSP Builder Advanced Blockset von Altera versetzen DSP-Entwickler jedoch in die Lage, in einer produktiven und gewohnten Umgebung zu arbeiten und erzeugen automatisch optimierten RTL-Code.

Implementierung von DSP-Algorithmen in FPGAs

Für die effiziente und einfache DSP-Implementierung bieten FPGAs besondere Leistungsmerkmale. Dank der Parallelität der FPGA-Hardware sind ein höherer Durchsatz und höhere Verarbeitungsraten möglich. Aufgrund der möglichen Hardware-Beschleunigung von Aufgaben, der direkten Verbindung zwischen Regelschleifenalgorithmen und Sensorschnittstellen sinken die Latenzzeiten. Es ist ein System-Design auf hohem Abstraktionsniveau möglich, da von Simulink direkt in eine FPGA-Implementierung synthetisiert werden kann, wobei noch die Möglichkeit besteht, automatisch Abgleiche in Bezug auf Latenzzeiten, Durchsatz und Ressourcennutzung durchzuführen.

In einem typischen FOC-Controller liegen Eingangssignale mit einer Abtastrate von 10 bis 100 kSamples/s an, die in weniger als 10 µs verarbeitet werden müssen. Vorteilhaft für die Steuerungsalgorithmen ist es daher, wenn die Verarbeitungslatenzzeiten konstant und möglichst gering gehalten werden können. Eine Implementierung mithilfe von Gleitkommazahlen ermöglicht die Eliminierung eines arithmetischen Overflows und vermeidet Skalierungsprobleme. Aufgrund inhärenter numerischer Stabilität ist eine außergewöhnlich hohe Rechenleistung möglich. Aufgrund des höheren Dynamikbereichs sind außerdem schnellere Antworten auf Regelschleifen möglich.

FPGAs können sowohl Fest- als auch Gleitkommalösungen unterstützen und problemlos 200.000 Schleifen oder PWM-Ausgänge in der Sekunde liefern. Wird eine Optimierung auf Größe gewünscht, können die FPGA-Ressourcen zulasten einer um 65 Prozent erhöhten Latenzzeit um den Faktor 4 reduziert werden (was aber immer noch 10 mal schneller als die 100 kSamples/s ist, die eine FOC benötigt.). Die Optimierung der Ressourcen ermöglichen eine Gleitkomma- und Mehrachsenregelungsimplementierung in einem kostengünstigen Baustein, wodurch FPGAs zur perfekten Motorsteuerungsplattform für zukünftige VSDs werden.

Die Vorteile von FPGAs in Motorsteuerungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Leistungsfähige Gleitkomma-Implementierung
  • ein Design-Flow, der eine Matlab/Simulink-Konvertierung in eine FPGA-Implementierung zulässt
  • FPGA-Designoptimierung mithilfe des DSP Builders
  • flexible, digitale Encoder-Schnittstellen (BiSS, EnDat, und so weiter)
  • integrierte Sigma-Delta-Wandlung in der FPGA-LogikOption einer einfachen Mehrachsenregelung
  • jedes Industrial Ethernet Protokoll kann leicht hinzugefügt werden (zum Beispiel EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP, und so weiter).

Industrial-Ethernet-Implementierung

Wie viele andere Kommunikationsfunktionen ist Industrial Ethernet mittlerweile eine gängige Funktion in industriellen Embedded-Designs. Systemanbieter stecken viel Arbeit in die Optimierung ihres Designs, in Bezug auf Kosten, Leistungsaufnahme, Formfaktor und dergleichen. Das Besondere an Industrial Ethernet ist jedoch die Vielzahl von weltweiten Standards und der damit verbundenen Forderung, dass die Anbieter von Slave-Modulen all die verschiedenen Standards unterstützen müssen. In der Vergangenheit kauften Kunden daher oft ein Hunderte Euro teures Kommunikationsmodul von der Stange, das sie dann mit ihren Antriebsmodulen kombinieren konnten. Das ist jedoch weder kosteneffektiv, noch führt es zu Designs mit kleinerem Formfaktor.

Eine Alternative besteht darin, ein separates, dediziertes ASSP für die Kommunikationsfunktionen zu integrieren. Dieses ASSP ist aber oft sehr groß ausgelegt, wenn man die verschiedenen Protokolle unterstützen will. Die meisten  Kunden verwenden jedoch nur einen Industrial-Ethernet-Standard. Da die Anbieter aber versuchen, all ihre digitalen Antriebsfunktionen auf einem einzigen Stück Silizium zu integrieren, muss das Kommunikationsprotokoll zu einer Platz-sparenden Funktion werden, die als Teil in einem kompletten „Antrieb auf einem Chip“-Design implementiert wird.

Wie bei den Feldbusprotokollen gibt es auch bei Industrial Ethernet viele Protokollvarianten und – das ist noch entscheidender – der Markt konnte sich bisher nicht auf einen oder zwei Standards einigen. Will ein Anbieter von Antrieben seine Produkte weltweit in verschiedene Fabriken verkaufen, muss er mehrere Standards unterstützen. Antriebe, die sowohl in Asien als auch in Europa auf den Markt gebracht werden sollen, müssen sowohl mit EtherCAT als auch mit Ethernet Powerlink zusammenarbeiten können. Somit steht er vor der Entscheidung, entweder zwei Antriebsdesigns zu designen, entwickeln und warten oder ein ASSP zu integrieren, das mehrere Protokolle unterstützt – und hoffen, dass sich die Protokolle nicht mehr ändern.

Möglich ist aber auch eine programmierbare Plattform. Der einzige kosteneffektive und effiziente Weg, um acht bis zehn unterschiedliche Standards zu unterstützen sowie gegenüber möglichen Standardweiterentwicklungen gefeit zu sein, ist eine Implementierung, die sowohl Hardware- als auch Software-seitig programmierbar ist.

Damit ist der Entwickler in der Lage, die verschiedenen Industrial-Ethernet-Varianten zu unterstützen, gleichgültig, ob sie einen Standard-MAC und einen speziellen Software-Stack benötigen oder mit einem kundenspezifischen MAC und einem speziellen Software-Stack arbeiten. Außerdem können damit auch reguläre Updates des Software-Stacks sowie nicht so häufige Hardware-Updates mit derselben Hardware durchgeführt werden.

Antriebslösung auf einem Chip

Eine Drehzahlregelung in VSDs: Motorsteuerungssysteme bietet die Möglichkeit, die Leistungsaufnahme signifikant zu senken. Allerdings erfordern VSDs komplexe Steuerungsalgorithmen, die von Standard-Mikrocontrollern oder DSPs oft nicht ausgeführt werden können, speziell dann, wenn zusätzlich noch andere Funktionen wie Networking oder Sicherheits-Features realisiert werden müssen. FPGAs hingegen ermöglichen die Integration von kompletten Systemen auf einem Chip.