FPGA 和 Arduino 推動馬達控制

September 24, 2019

Brandon Lewis

邊緣計算，嵌入式軟件，FPGA，Arduino

任何工程師若曾設計能推、拉、轉動或旋轉的機電系統，就必然熟悉馬達控制。其應用非常廣泛，即使是簡單的微控制器 (MCU) 也能提供充足的時脈速度和訊號處理性能，以各種速度和負載來驅動複雜的馬達。

但是這些實用的 MCU 的效能極限究竟有多高？如果用高解析度正交編碼器來測量馬達速度或方向，效能足夠嗎？如果需要一次驅動多個馬達呢？

隆重向您介紹六足機器人 Hexy（圖 1）。Hexy 是 ArcBotics 的低成本 Arduino 型機器人套件。此機器人的六支腳各有三個伺服馬達，加上頭上一個，總共 19 個伺服馬達。

圖 1。ArcBotics 六足機器人 Hexy DIY 機器人套件內含 19 個伺服馬達。（資料來源：ArcBotics）

由於 Hexy 是專為 Arduino 社群所設計，因此能相容多款 8 至 32 位元的 MCU。這些 MCU 在依序驅動 Hexy 足部馬達等簡單工作中展現優異效能。然而使用正交編碼器的系統均會導入中斷服務常式，屆時這些 MCU 的效能就顯然不足。

在這些較複雜的使用案例中，採用的解決方案之一是 FPGA 加速器。

省去撰寫程式的麻煩

FPGA 的主要優點即是可重新編程，滿足個別應用的確切需求。FPGA 結構可進行最佳化，以提供馬達驅動 PWM 訊號實際所需的確定性、控制與抖動。同時，亦可設定更多 FPGA 邏輯區塊來支援額外馬達，提供其他嵌入式處理器架構所無法實現的平行處理效能。

事實上，FPGA 正是因為能夠確切依照系統需求加以設定，所以在馬達控制應用上，更勝於強大的高端馬達控制 MCU、DSP 與 ASIC。

影片 1 為 Hexy 機器人使用 8 位元和 32 位元 MCU 來示範馬達控制。如您所見，開始導入 50 微秒中斷時，機器人手臂動作就不再順暢；因為此時 MCU 負擔太多並行工作，無法補償可以驅動伺服馬達的 PWM 訊號抖動。

影片 1. 馬達控制示範，Hexy 機器人上的 8 位元和 32 位元 MCU 難以順利執行並行工作。（資料來源：Alorium Technology）

這段影片接著示範 FPGA 在複雜、中斷式多馬達驅動使用案例中，能夠有效進行精準的平行處理。單一 FPGA 即可驅動多個馬達，同時讀取及處理正交資料，無需使用多個處理器或控制板。如此可降低設計成本、耗電量和系統大小。

但是 FPGA 程式設計向來令工程師卻步。這是因為 VHDL 和 Verilog 這兩種描述 FPGA 結構的硬體描述語言 (HDL) 均屬於電子設計自動化 (EDA) 的設計典範。

這些語言的運作方式與一般軟體不同。若要將 HDL 程式碼轉換為可定義邏輯閘道、產生位元流等功能的設計實作，就會需要複雜的邏輯合成工具。

對大多數工程團隊來說，是否使用 FPGA 的決定是個兩難的抉擇；雖可獲得平行處理與效能提升的效益，但同時卻必須面對複雜的程式設計。一家為無人航空載具 (UAV) 設計自訂 BLDC 馬達控制應用程式的公司，就發現自己面臨此一抉擇。

該公司為兼顧兩全，決定與開發 FPGA 加速嵌入式解決方案的 Alorium Technology 成為合作夥伴。

增強型自訂 BLDC 馬達控制

該家 UAV 公司開始根據 MCU 架構來設計 BLDC 系統，並使用 Arduino IDE 來編寫和測試馬達控制軟體。此一應用需要能在各種高速下運轉馬達的處理元件，並且還要能夠讀取感測器資料。由於系統變得過於複雜而無法在 MCU 上執行，最後決定移轉至自訂硬體。

然而此決定卻有一大問題，該公司的程式碼都在 Arduino 環境下設計，且均為 Arduino 環境所設計。這代表馬達控制系統無論採用何種運算架構，都必須能以高效率執行 Arduino 的簡化 C++ 程式碼。

該公司最終採用 Alorium Technology 的 XLR8 開發板（圖 2）。XLR8 是 Arduino 可程式化且採用 FPGA 架構的原型設計平台，內建 8 位元 AVR MCU。這張主機板是外型規格與針腳均相容的 Arduino Uno 替代品。該 UAV 工程公司成功將此主機板納入其設計，也能立即執行原有的程式碼。