高級電機控制應用簡介

當今的電機控制應用需要具有有限結果的多軸、多功能解決方案。考慮大型自動化工業制造單元中的機器人（循環執行任務）甚至是機器人輔助醫療手術 - 這些機器人需要具有確定性輸出的所有方向的精確控制。同樣，高端工業無人機需要穩定的陀螺儀和更高的機械可靠性，以及DSP的高速計算能力。在更關鍵的情況下，例如心室輔助裝置等醫療植入物（以幫助心臟泵血更好），除了精度和確定性之外，魯棒性和可靠性也是必不可少的，因為不能容忍故障。電動機還執行關鍵功能，例如航天器中的姿態控制，部署機構，運動和節氣門控制。機翼致動器在較低速度下保持飛機的燃油效率，通常在起飛后或準備著陸時。這些應用需要在高真空、輻射和各種操作環境下實現長使用壽命、高可靠性和安全性。

始終需要降低系統成本 - 擁有將數字外設與處理器內核集成的單個網絡、多協議硬件。

FPGA 在電機控制設計中的優勢

與ASIC相比，FPGA具有許多優勢，最明顯的是確定性、具有現場可重新配置性的并行計算。它們可以實現復雜的邏輯功能，支持多個系統實現和修訂。

我們的FPGA的獨特之處在于它們由基于閃存的非易失性存儲器制成。這種即時啟動技術使其功耗比競爭FPGA低30%至50%。它們提供抗輻射性和獨特的安全功能，例如防止過度構建和克隆、設計 IP 保護、信任根、安全數據通信和防篡改功能。具體而言，在電機控制環境中，我們的FPGA通過提供低功耗、低抖動、低延遲、高精度、確定性和可擴展性，在解決現代電機控制應用面臨的復雜挑戰方面發揮著重要作用。

智能HLS提高生產力

使用 Verilog/VHDL 從頭開始為 FPGA 設計新的基于硬件的電機控制器可能非常耗時。通常，工程師已經有一個用 C/C++ 設計的正常工作電機控制器。在這種情況下，理想的解決方案是自動將現有的C++軟件代碼轉換為等效的硬件實現，針對Microchip PolarFire FPGA。智能高級綜合（SmartHLS?）工具和集成開發環境使這變得容易，它可以將C++軟件編譯成針對Microchip FPGA的硬件塊。高級綜合允許您將C++作為輸入并生成 Verilog 作為輸出。通常，您將 HLS 將生成的頂級C++函數標記為等效的硬件 IP 核。您可以在頂級C++函數中描述您的算法。然后，使用 HLS 編譯指示和 HLS 庫C++描述標準硬件接口，如 AXI、AXI 流或內存接口。HLS 的一個引人注目的好處是，它為您提供了比 RTL 設計C++的顯著抽象級別，并提高了硬件設計和驗證時間的生產力。使用 HLS 進行架構探索，因為該工具可以輕松添加或刪除流水線寄存器，以實現用戶指定的目標頻率。

我們曾有一位客戶使用 SmartHLS 將他們具有嚴格限制的高級電機控制設計遷移到我們的 FPGA。他們的主要目標是實現小于 3 us 的確定性延遲。此延遲是接收八個電機的編碼器傳感器和FPGA電機控制內核更新所有電機的電流輸出之間的反饋時間。由于 DDR 和 PCIe 等外部 I/O 要求，客戶還希望該設計以高于 200MHz 的時鐘頻率運行。他們還希望將設計安裝在具有空閑空間的 PolarFire MPF500 設備上。

他們報告了他們的結果質量，并能夠超越他們的設計目標。他們觀察到周期延遲減少了50%，同時頻率提高了以滿足200 MHz的目標時鐘頻率。電機控制器的最終確定性延遲也減半至約2 μs。電機控制器的面積也縮小到適合300K LE PolarFire FPGA內部。

將原始C++電機控制器與改進的FPGA版本進行比較的實驗表明，與Arm微控制器相比，基于FPGA的電機控制器在延遲方面具有2.5-6倍的加速，具體取決于微控制器和實時操作系統的抖動。

審核編輯：郭婷