Tittar man på alla elmotorer i världen så styrs de allra flesta med en enkel styrkrets. Och normalt behövs inget mer då uppgiften i stort är att generera en pulsbreddsmoduleringsfrekvens. I tillämpningar som kräver bättre kontroll av motorn och snabbare signalbehandling är det istället DSP:er som regerar.
 
– Fast vi anser inte att DSP:n behövs. Det räcker bra med att använda styrkretsar i enklare lösningar. När kravet på prestanda ökar är FPGA:n ett bättre alternativ, säger Per Adrian Dahl, marknadsansvarig på Unjo.

Han menar att en DSP är som en vanlig processor med viss extra logik för snabb signalbehandling, multiplicerare och annat. Allt detta går att göra i en FPGA – fast bättre och utan att vara låst till vad DSP-tillverkarna tillhandahåller.

– En DSP är dessutom en sekventiell maskin och inte sant parallell som en FPGA. Det ger svagheter som latens, att man måste bestämma vilka in- och utsignaler som är viktigare än andra och så vidare, förklarar Per Adrian Dahl.

Unjo är en pionjär inom FPGA-baserad motorstyrning. En första lösning togs fram redan för tolv år sedan. Företaget utvecklar slutsteget som driver motorerna och VHDL-kod som styr motorerna. Flera i företaget kommer från Ericsson Microwave och Saab Dynamics och har jobbat med Jas-radarn, så erfarenheten av signalbehandling är gedigen.

– Det speciella med FPGA:er är att allt kan exekveras direkt i hårdvara. Inget programstyrt system kan bli lika snabbt. I motorstyrningen är det väsentligt att varje axel styrs av ett hårt block i FPGA:n där man sluter alla tre reglerloopar – position, varvtal och moment. Ett hårdvarublock blir då en komplett PID-regulator och olika block kan göras oberoende av varand-ra.

I Unjos värld är det ingen vits att använda FPGA:er i motorstyrning om man inte sluter reglerlooparna i hårdvara. Att använda de färdiga DSP-blocken som finns i vissa FPGA:er är inte ett alternativ.

– Det går att bygga en hel DSP i en FPGA, om man vill. Inom telekom använder man den tekniken, men vi ser det inte som intressant, säger Per Adrian Dahl.

Samtidigt håller han med om att DSP-blocken i dagens FPGA:er kan vara ett sätt att närma sig FPGA-världen för den oinvigde.

– Vi skulle kunna överväga att använda DSP-block om någon stor kund vill bibehålla en del av sin algoritm men flytta ut själva motorstyrningen i hårdvara, resonerar Per Adrian Dahl.

FAKTA UNJO Mölndalsföretaget Unjo har tolv anställda och arbetar med kundanpassad motorstyrning, främst rörelsestyrning. Företaget utvecklar både själva styrningen, med kraftelektronik och allt som driver motorerna, och ip – intellectual property – i form av VHDL-kod som styr motorerna. Idag säljer Unjo ett motorstyrnings-ip som är helt integrerat i Alteras utvecklingsmiljö, Quartus. Planen är att släppa ytterligare ip-block anpassade för lite olika motorer och mer eller mindre komplicerad styrning. Under hösten kommer företaget att lansera sitt andra standardiserade ip-block.

Tillverkare av FPGA:er framhåller gärna arkitekturens flexibilitet som ett argument för att byta teknik i motorstyrningssammanhang. Med en lösning byggd kring en FPGA är det lättare att kunna erbjuda en mängd olika standarder utan att produkten behöver förändras särskilt mycket.

Ta exempelvis den ständigt ökande floran av fältbussar. Idag finns det en mängd alternativ, bara Industrial Ethernet kommer i över tjugo varianter. Genom att addera ett ip-block går det förhållandevis enkelt att skapa stöd för en ny fältbuss i en FPGA. I en DSP blir samma procedur besvärligare.

– Den högre flexibiliteten ger en annan dimension i ett elektronikprojekt, men det är inte orsaken till att jag tror att FPGA-tekniken kommer att slå igenom på sikt.

Betydligt väsentligare är det att en FPGA gör det möjligt att med ett enda chips styra flera motorer med hög noggrannhet.

– Poängen med att göra hela reglerloopen direkt i logik är att vi kan nå bandbredder på 100 kHz i strömloopen, som är den viktigaste att göra snabb i motorstyrningar. Dagens industrilösningar ligger på 1 kHz till 5 kHz. Det är ju en ohygglig förbättring.

Fast när behöver man så höga bandbredder?

– Behöver… vi håller fortfarande på att missionera om den här tekniken. Det här är en teknik som i framtiden kommer att förändra läget för maskinbyggaren. Och FPGA:er har blivit billigare än förr, speciellt för multimotorsystem, fastslår Per Adrian Dahl.

Faktum är att högre bandbredd gör att det går att bygga system som reagerar snabbare och kan styras mer exakt än tidigare. Som exempel tar Per Adrian Dahl ett projekt där man utvecklat motorstyrningen till en simulator som användas för att träna läkare inför hjärt- och kärloperationer.

Det har nio motorer. I en tidigare generation användes en styrkretsar per motor för enaxlig styrning. I det nya systemet har treaxlig styrning införts och en FPGA tar hand om tre motorer. Konstruktionen har blivit betydligt mer kompakt, eftersom så gott som allt kablage försvunnit och FPGA-styrningen placerats ute i simulatorn och inte i ett centralt elskåp.

– Bandbredden har ökat med mer än 40 gånger. Det betyder att känselupplevelsen i händerna blir mycket bättre.

Men det är inte bara extremt avancerade system som kan dra nytta av FPGA-tekniken.

– Jag skulle säga att ifrån tre motorer – i vissa fall redan två – kan det vara intressant av parallellitetsskäl att använda FPGA:er om man måste styra dem med en viss kvalité, säger Per Adrian Dahl.

Han sätter fingret på två typiska motorstyrningstillämpningar där det är gynnsamt med FPGA:er. Dels system som kombinerar motorstyrning med avancerade logiska funktioner, gärna bildbehandling. Dels system som har behov av att noggrant styra olika axlar i förhållande till varandra.

I det senare fallet är det klockfrekvensens noggrannhet som sätter gränsen för precisionen i tidsdomänen. Ska två axlar starta samtidigt behövs en puls som triggar dem samtidigt, fast på olika ställen.

– Vi kan nå en synkronisering på under 10 ns. Det är nästan ofattbart bra i en maskinbyggares perspektiv. Med en DSP kan man kanske nå en noggrannhet på några millisekunder, säger Per Adrian Dahl.

En hake med FPGA:er är att de programmeras i VHDL som är en annan nivå på verklighetsbeskrivningen än vanlig C-kod.

– Än så länge är det ett hinder. Miljontals människor kan C idag, långt färre kan VHDL, men det kan ändras. Dessutom kan problemet lösas genom att använda ip.

Schweiziska Technosoft, en motorstyrningspecialist med mångårig erfarenhet och gott rykte, har utvecklat styrenheten MotionChip. Kretsen, som är DSP-baserad, sitter i ett stort antal system idag och har bland annat prisats för sin innovationshöjd av magasinet EDN.

Men Technosoft är på intet vis fast i DSP-tekniken. Tvärtom håller företaget dörrarna öppna för intressanta alternativ.

– Vi har analyserat FPGA-tekniken och den ser ut att vara mycket intressant. FPGA:er har många goda egenskaper och man kan i princip bygga vad man vill med en FPGA-baserad lösning, säger Aurelian Sarca, forsknings- och utvecklingschef på Technosoft.

Samtidigt är han tydlig med att Technosoft självt inte ser FPGA:er som ett realistiskt alternativ idag. Företaget jobbar med relativt små volymer, under 10 000 styck och då blir FPGA:er för dyrt.

– Vi kan få tag på passande DSP:er för sju dollar vid dessa volymer. Med en FPGA blir tre gånger dyrare. FPGA:er kan däremot vara ett alternativ där man använder dyra DSP:er och har stora volymer.

Det är alltså uteslutande en prisfråga varför Technosoft inte ser FPGA:er som ett alternativ till DSP:er i nuläget.

– Kostnaden är väldigt viktig och ännu har vi inte hittat en FPGA som är kostnadseffektiv. Men om vi skulle hitta en FPGA-lösning för fem dollar i våra volymer så skulle vi bli väldigt nöjda, konstaterar Aurelian Sarca.    

TESTA FPGA I MOTORSTYRNING Få använder FPGA:er för motorstyrning idag. Visserligen finns det ofta en FPGA i motorstyrningar, men den används som klisterlogik eller för att fixa konverteringssignaler. De prestandakritiska funktionerna sköts normalt av en DSP eller styrkrets.   Många tillämpningar kan däremot vinna på att använda en FPGA för att styra en eller flera elektriska motorer. För de som vill testa och utvärdera tekniken kan det vara värt att titta närmare på floran av referenskonstruktioner som FPGA-tillverkare och komponentdistributörer numera tillhandahåller. Nedan finns ett axblock av förslag på hjälpmedel för att komma igång: • FalconEye från EBV Elektronik är en motorstyrningsplattform optimerad för borstlösa DC-motorer som kan konverteras för att användas med andra motorer. Plattformen innehåller en VHDL-kodad Cyclone III  med en Nios-processor ombord. Plattformen är utvecklad i samarbete med Altera, Avago Technologies, Fairchild Semiconductor, Freescale Semiconductor, ST Microelectronics. • Motionfire från Arrow är en annan motorstyrningsplattform i två delar och uppbyggd kring en Cyclone III  med Nios-processor. Plattformen kan styra upp till 12 motorer och är utvecklad i samarbete Altera, National Semiconductor och svenska Unjo, som bland annat utvecklat VHDL-koden som styr motorerna. • Actel har tagit fram ett dotterkort till sitt IGLOO Icicle Kit som visar hur en Igloo kan användas för att styra borstlösa DC-motorer och stegmotorer. Actel har även tagit fram ett dotterkort till sitt Fusion Starter Kit som demonstrerar hur FPGA:er i fusion-teknik kan användas för motorstyrning. • Avnet Silica kommer med ett dotterkort – en FMC-modul – för motorstyrning under årets fjärde kvartal. Kortet siktar på industritillämpningar och kan användas med alla baskort som har FMC-kontakt, vilket gäller för alla kort med Xilinx Spartan-6 och Virtex-6. Till detta hör att National Instruments erbjuder LabVIEW FPGA som innebär att man kan programmera en FPGA med LabVIEW. Därmed går det att skapa skräddarsydda styrfunktioner utan VHDL-programmering.