fpga电机控制代码（fpga电机控制系统）

先进电机控制应用简介

当今的电机控制应用需要多轴、多功能解决方案，但效果有限。考虑大型自动化工业制造单元中的机器人（循环执行任务），甚至机器人辅助的医疗手术- 这些机器人需要在各个方向上进行精确控制，并具有确定性的输出。同样，高端工业无人机需要稳定的陀螺仪和更高的机械可靠性，以及DSP的高速计算能力。在更关键的情况下，例如心室辅助装置（以帮助心脏更好地泵血）等医疗植入物，除了准确性和确定性之外，稳健性和可靠性也至关重要，因为不能容忍失败。电动机还执行航天器中的姿态控制、部署机构、运动和油门控制等关键功能。机翼执行器可维持飞机在较低速度下的燃油效率，通常是在起飞或准备着陆后。这些应用要求在高真空、辐射和各种操作环境下具有较长的使用寿命、较高的可靠性和安全性。

始终需要降低系统成本- 拥有将数字外设与处理器核心集成的单一网络、多协议硬件。

FPGA 在电机控制设计中的优势

与ASIC 相比，FPGA 具有许多优势，最明显的是具有现场可重构性的确定性并行计算。它们可以实现复杂的逻辑功能并支持多个系统的实现和修订。

我们的FPGA 的独特之处在于它们由基于闪存的非易失性存储器制成。这种即时启动技术使其功耗比同类FPGA 低30% 至50%。它们提供抗辐射和独特的安全功能，例如防止过度构建和克隆、设计IP 保护、信任根、安全数据通信和防篡改。具体来说，在电机控制环境中，我们的FPGA 通过提供低功耗、低抖动、低延迟、高精度、确定性和可扩展性，在解决现代电机控制应用面临的复杂挑战方面发挥着重要作用。

智能HLS 提高生产力

使用Verilog/VHDL 从头开始为FPGA 设计新的基于硬件的电机控制器可能非常耗时。通常，工程师已经拥有一个用C/C++ 设计的可用电机控制器。在这种情况下，理想的解决方案是自动将现有C++ 软件代码转换为针对Microchip PolarFire FPGA 的等效硬件实现。通过智能高级综合(SmartHLS) 工具和集成开发环境可以轻松实现这一点，该工具将C++ 软件编译成针对Microchip FPGA 的硬件模块。高级综合允许您将C++ 作为输入并生成Verilog 作为输出。通常，您将HLS 生成的顶级C++ 函数标记为等效的硬件IP 核。您用顶级C++ 函数描述您的算法。然后，使用HLS 编译指示和HLS 库C++ 来描述标准硬件接口，例如AXI、AXI 流或内存接口。 HLS 的一个引人注目的优点是，它为您提供了比C++ 中的RTL 设计更高的抽象级别，并提高了硬件设计和验证时间的生产力。使用HLS 进行架构探索，因为该工具可以轻松添加或删除管道寄存器以实现用户指定的目标频率。

我们的客户使用SmartHLS 来迁移他们的先进电机控制设计，但对我们的FPGA 有严格的限制。他们的主要目标是实现小于3 us 的确定性延迟。该延迟是接收八个电机的编码器传感器与FPGA 电机控制核心更新所有电机的电流输出之间的反馈时间。由于DDR 和PCIe 等外部I/O 要求，客户还希望设计能够以高于200MHz 的时钟频率运行。他们还希望将该设计安装在具有可用空间的PolarFire MPF500 设备上。

他们报告了结果的质量，并且能够超越他们的设计目标。他们观察到周期延迟减少了50%，同时频率增加以满足200 MHz 的目标时钟频率。电机控制器的最终确定性延迟也减半至约2 s。电机控制器区域也缩小了，以适应300K LE PolarFire FPGA 的内部。

将原始C++ 电机控制器与改进的FPGA 版本进行比较的实验表明，与Arm 微控制器相比，基于FPGA 的电机控制器的延迟加速为2.5-6 倍，具体取决于微控制器和实时操作系统抖动。

审稿编辑：郭婷