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In der neusten FPGA-Generation von Xilinx(7er-Serie) ist auch ein 12-Bit-Zweikanal-A/D-Wandler integriert. Dieser passt perfektzu den Anforderungen von Motorensteue-rungen: Einerseits bewegt sich die Auflö-sung im für Drive-Control-Systeme übli-chen Rahmen, andererseits können damitzwei Kanäle gleichzeitig gemessen werden,was für die Strommessung in dreiphasigenSystemen, also beispielsweise bei bürsten-losen Motoren, unabdingbar ist.

Der FPGA-Einstieg ist leichter, als man denkt.Die grösste Hürde beim Einstieg in dieFPGA-Technologie stellt das Know-how fürdas Chip-Design dar, das bei vielen Drive-Control-Spezialisten verständlicherweisenicht oder nur spärlich vorhanden ist, wur-den doch bisher vor allem Mikrocontrollerund DSPs eingesetzt. Eine weitere Hürdebesteht darin, dass die Entwicklung einerFPGA-basierten Hardware wesentlich an-spruchsvoller sein kann, als die einer Pro-zessor-basierten, beziehungsweise dass dieAnforderungen anders sind und spezifi-sches Wissen und Erfahrung unabdingbarsind.Ein Weg, um diese Hürden zu überspringen,kann die Zusammenarbeit mit einem FPGA-Engineering-Unternehmen wie der im Tech-nopark Zürich ansässigen Enclustra GmbHdarstellen. Einerseits kann so die Entwick-lung von applikationsspezifischer FPGA-Lo-gik ausgelagert werden, andererseits kanneinem der Entwicklungspartner auch bei derHardware-Entwicklung zur Seite stehen. Seidies durch die ausgelagerte Entwicklungder Hardware selbst oder durch Unterstüt-zung mit Consulting und Reviews. Eine sol-che Zusammenarbeit kann auch sinnvollsein, wenn das System später betriebsin-tern gewartet und weiterentwickelt werdensoll. Durch die enge Zusammenarbeit mitFPGA-Spezialisten können interne Mitarbei-ter von einer sehr steilen Lernkurve profitie-ren und werden wesentlich schneller in derLage sein, ein FPGA-basiertes Motion-Con-trol-System zu verstehen, zu warten und

wicklung eines kompletten Systems, dagrösstenteils auf fertig implementierte undgut getestete Komponenten zurückgegrif-fen werden kann.

Die neusten FPGA-Generationen und MotionControl. Während die ersten FPGAs haupt-sächlich für einfache Glue-Logic ausgelegtwaren, kamen in den letzten Jahren zusätz-liche Features wie RAM-Blöcke, Multipli-zierer und komplette DSP-Einheiten hinzu,welche die Verwendung für grössere Be-rechnungsaufgaben ermöglichen. In denFPGAs der neuesten Generation gibt esweitere neue Features, die für Motion-Cont-rol-Anwendungen höchst interessant sind.Die beiden grössten FPGA-Hersteller Xilinxund Altera bringen derzeit Bausteinfamilienauf den Markt, die FPGA-Logik und ein festeingebautes 800 MHz Dual-Core ARM Cor-tex A9 Prozessorsystem kombinieren. Wiebereits im 1. Artikel (Megalink 5/2012) er-wähnt, sind und bleiben Prozessoren einwichtiger Bestandteil von Motion ControlSystemen. Mit diesen Bausteinen ist mehrProzessor-Rechenleistung auf einem FPGA-Chip verfügbar als je zuvor.

achdem das Interesse an FPGAs fürDrive Control Anwendungen in den

letzten Jahren stetig zugenommen hat,kommen nun immer mehr spezifische Pro-dukte auf den Markt, die den Umstieg aufdie neue Technologie erleichtern. Einerseitssind die neuesten FPGA-Bausteine dankeinigen zusätzlichen Features (zum Beispielintegrierten Analog-Digital-Convertern) fürMotion-Control-Anwendungen geradezuprädestiniert, andererseits gibt es auch im-mer mehr käuflich erhältliche FPGA-Imple-mentationen der notwendigen Regelungs-technik auf dem Markt. Der Einsatz einesFPGAs für die Motorenregelung führt alsonicht mehr zwingend über die eigene Ent-

N

Wie der Einstieg in dieFPGA-Technologie gelingt

FPGAs sind in Drive-Control-Anwendungen stark im Aufwind. Die Gründe dafür und die

spezifischen Vorteile der FPGA-Technologie wurden im 1. Teil dieses Artikels (Megalink

5/12) erörtert. Lesen Sie im 2. Teil, wie der Umstieg auf die neue Technologie gelingt.

MÖGLICHKEITEN UND VORTEILE VON FPGAS IN MOTORSTEUERUNGEN – TEIL 2/2

INFOSEnclustra GmbH

8005 ZürichTel. 043 343 39 43

info12@enclustra.comwww.enclustra.com

AUTOROliver Bründler

Projektmanager Enclustra GmbH

Bild 1: Mit FPGAs lassen sich äusserst leistungsfähige Antriebslösungen realisieren.

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weiter zu entwickeln, als wenn sie sich al-les von Grund auf selber erarbeiten müss-ten.Ein anderer Ansatz besteht darin, durch denZukauf von Produkten kundenspezifischeEntwicklungen zu vermeiden oder zu mini-mieren. So sind beispielsweise fertige Lo-gikblöcke, sogenannte IP-Cores, für Drive-Control-Regelkreise, Feldbus-Anbindungen,Prozessoren und vieles mehr verfügbar (sie-he Kasten). Dank den inzwischen sehr weitentwickelten Tools lässt sich ein auf sol-chen IP-Cores basiertes FPGA-System mitrelativ wenig spezifischem Wissen selbsterstellen. Ein gewisses Mass an FPGA-Know-how bleibt jedoch unabdingbar. Istdieses firmenintern nicht vorhanden, kannder Zukauf von IP-Cores auch zur Minimie-rung der anfallenden Kosten für die Ent-wicklung des FPGA-Innenlebens durch ei-nen externen Partner eingesetzt werden.Auf der Hardwareseite gibt es FPGA-Modu-le, die einfach einsetzbar sind und die tech-nologiespezifische Komplexität kapseln. Da-mit wird das Hardware-Design sogarwesentlich einfacher, als wenn ein her-kömmlicher Mikrocontroller eingesetzt wür-de. Der Weg über FPGA-Module ist speziellbei kleinen und mittleren Stückzahlen sehrinteressant, kann aber auch bei Produktenmit hohen Stückzahlen für den Einsatz wäh-rend der Prototypenentwicklung mehr alsnur eine Überlegung wert sein.

Die Entwicklungszeit in Optimierungen investie-ren. Während das NIH-Syndrom (Not Inven-ted Here) in der FPGA-Branche inzwischen

weitgehend überwunden und der Einsatzvon zugekauften Funktionsblöcken alltäglichist, sind in anderen Bereichen immer nochviele Ingenieure skeptisch gegenüber zuge-kaufter Funktionalität. Natürlich führt die Si-tuation, dass man das System nicht mehrbis in alle Details versteht, oft zu einem ge-wissen Unwohlsein. Das Hauptproblem istaber meist die Angst, seine Aufgabe ausden Händen zu geben und damit überflüssigzu werden.Die Erfahrung zeigt, dass dies nicht zutrifft.Die zugekauften Lösungen werden prak-tisch immer dazu eingesetzt, bereits be-kannte und in der Industrie standardmässigverwendete Funktionalität zu implementie-ren. Die Features, welche das eigene Pro-dukt von der Konkurrenz unterscheiden undin denen schliesslich die Kernkompetenzeneines Unternehmens zu finden sind, liegenauf einem höheren Layer oder lassen sichdurch Anpassungen an den zugekauftenLösungen erreichen. Im Endeffekt wird derDrive-Control-Spezialist also keinesfallsüberflüssig. Er kann lediglich seine Zeit dazuverwenden, die applikationsspezifischen

Probleme zu lösen und die 10% des Sys-tems zu optimieren, die wirklich wichtigsind, anstatt den allgemein bekannten In-dustriestandard zu implementieren, welcherdie restlichen 90% des Systems ausmacht.

FPGA-Module beschleunigen die Markteinfüh-rung hoch optimierter Antriebslösungen. Haupt-grund für die Entwicklung der oben genann-ten Produkte ist, dass das Potenzial für dieFPGA-Technologie im Bereich Motoren-steuerungen als sehr gross eingeschätztwird. Während in der aktuellen SituationFPGAs dazu eingesetzt werden, einen spe-ziellen Vorteil gegenüber der Konkurrenz zuerhalten, wird der Einsatz dieser Technolo-gie in den nächsten Jahren wohl mehr undmehr zum Standard und in mittlerer Zukunftvoraussichtlich erforderlich sein, um mit derKonkurrenz Schritt zu halten.Mit dem Mars ZX3 Embedded Processing-Modul bietet Enclustra eine praktischeHardware-Plattform an, die es dem Benut-zer ermöglicht, die neuesten Bausteine miteinem Dual-Core 800 MHz ARM Coretex-A9- Prozessor, FPGA-Logik sowie integrier-tem A/D-Wandler zu benutzen, ohne dasser sich um technologiespezifische Details

Als erst zweites Unternehmen in der Schweiz hat esEnclustra dieses Jahr geschafft, Certified Xilinx Ali-ance Partner zu werden. Um dies zu erreichen, müs-sen die Mitarbeiter auf dem neuesten Wissensstandbezüglich Xilinx Devices, Tools und Implementations-techniken sein, diverse Tests bestehen und alljähr-lich das Zertifizierungsprozedere wiederholen. Damitstellen Enclustras Entwicklungsingenieure unter Be-weis, dass sie auf dem neuesten Stand der Techno-logie sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass Certified

Xilinx Aliance Partner Zugang zu denselben Kursenund Weiterbildungen wie Xilinx-FAEs haben.Gleichzeitig ist Enclustra auch als erste SchweizerFirma im Partnerprogramm von Altera (Design Ser-vices Network) vertreten und Mitglied des LatticeLeader-Programms. Durch diese Partnerschaftenwird der frühzeitige Zugriff auf wichtige Informatio-nen und guten Support seitens der wichtigstenFPGA-Hersteller sichergestellt.

Enclustra – Certified Xilinx Alliance Partner / Altera Design Services Network Member

Bild 2: Mögliche Nutzung eines FPGAs mit integriertem ARM-Prozessor für ein leistungsfähiges Motion-Control-System.

Der vom FPGA Design Center Enclustra entwickelte,modular aufgebaute Universal Drive Controller IP-Core (IP-Cores sind käufliche Logikmodule, die in ei-nem FPGA-Design eingebunden werden können)umfasst vom A/D-Wandler-Interface über Positi-ons-, Geschwindigkeits- und Stromregler, Positions-erfassung mittels Encoder oder Resolver und An-steuerungslogik für Leistungsstufen alles, was fürdie Regelung von bis zu acht Achsen mit Regelratenüber 200 kHz nach gängigem Industriestandard nö-tig ist (Bild 4). Es werden DC-, BLDC- und 2- oder3-phasige Schrittmotoren unterstützt. Für bürstenlo-se Motoren ist eine feldorientierte Kommutierungvorhanden, bei Schrittmotoren wird Microsteppingunterstützt. Zusätzlich ermöglicht es dieser IP-Core,einen Teil des Error-Handlings direkt in der FPGA-Logik (also unabhängig von der CPU) zu erledigen.Diverse weitere Features wie Positions-Interruptsund ein konfigurierbarer Datenlogger werden vomIP-Core ebenfalls zur Verfügung gestellt. Der Uni-versal Drive Controller ist rigoros auf möglichst tiefeSystemkosten optimiert: Neben dem sehr geringenLogikverbrauch (rund 5000 LUT4 für die Regelungvon vier DC-Motoren) besteht auch die Möglichkeit,einen A/D-Wandler für mehrere Achsen gemeinsamzu verwenden, was die Bauteilkosten deutlich senktund kleinere Formfaktoren ermöglicht. www.enclustra.com/universaldrivecontroller

Universal Drive Controller IP-Core

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kümmern muss. Das Modul wird mit einereinzigen 3,3-Volt-Spannung versorgt undenthält neben einem leistungsfähigen ZynqDevice von Xilinx auch bis zu 1 GByteDDR3-SDRAM, bis zu 64 GByte NAND-Flash, USB, Ethernet sowie eine CANSchnittstelle, wodurch es auch für die An-wendung im Automatisierungsbereich sehrgut geeignet ist. Das Modul wird im SO-DIMM-Formfaktor gefertigt, wodurch auf

dem anwendungsspezifischen Basisboardsehr preiswerte Standard-Sockel zum Ein-satz kommen können. Wird nur ein FPGAohne ARM-Prozessor benötigt, können dieMars MX1- und MX2-Module in demselbenFormfaktor eingesetzt werden.Für erste Entwicklungsschritte steht die mitvielen FPGA-Entwicklungsboards kompatib-le Erweiterungskarte FMC DR2 zur Verfü-gung, welche die gesamte Leistungselekt-

ronik für die Ansteuerung von zwei bis dreiAchsen enthält. Dadurch kann mit der Ent-wicklung begonnen werden, bevor eine an-wendungsspezifische Hardware zur Verfü-gung steht. Die FMC DR2-Erweiterungs-karte ist zwar mit dem Universal Drive Cont-roller IP-Core (siehe Kasten) kompatibel,kann aber auch für die Entwicklung kunden-spezifischer Implementationen verwendetwerden. ■

Bild 3: FPGA-Module (hier das Mars ZX3 mit Xilinx Zynq) und IP-Cores helfen, Hürden beimEinstieg in die FPGA-Technologie abzubauen. Bild 4: Konzept des Universal Drive Controller IP-Cores.