挾高效能優勢 FPGA滿足機器手臂多軸化設計

作者: 蘇宇庭
2014 年 04 月 16 日

現場可編程閘陣列(FPGA)將大啖機器手臂馬達控制商機。FPGA業者正積極挾高效能、高靈活性與擴展性的產品優勢,搶攻機器手臂多軸化引發的馬達控制商機,助力機器手臂達到完全擬人的效果,並降低生產成本及提高作業效率。



賽靈思亞太區Zynq業務開發經理羅霖認為,機器手臂多軸化後的系統開發挑戰,讓高效能、高靈活性與擴展性的FPGA優勢展露無遺。



賽靈思(Xilinx)亞太區Zynq業務開發經理羅霖表示,因應工廠產線精密化,目前生產線上的機器手臂有朝向多軸化發展的趨勢,這是為了讓機器手臂能完全替代人類手臂,以執行多種精密、複雜的擬人動作,如此一來還可將過去須要透過多道不同運動控制(Motion Control)類型的機器手臂產線轉為合併成單一產線,降低生產成本及提高工廠作業效率。


為了迎合機器手臂的多軸化發展趨勢,機器手臂內建的馬達數量及軸數都必須增加,當其中一個馬達軸旋轉到特定角度時,與其同處一個連動系統的馬達軸也須旋轉至相應的正確角度,且不同系統之間的搭配協調也至關重要;因此羅霖指出,相較於只能在單一節點上運作的微控制器(MCU),FPGA的擴展性及運作效能將更能應付設計日趨複雜的多軸馬達運算需求。



羅霖進一步分析,FPGA在同一機器手臂內,針對低、中、高階內部系統皆能提供開發商一致的擴展性和靈活性;如開發商可選擇在各個分散式控制的小型節點中都內建FPGA,也可選擇在大型節點中置入效能更為強大的FPGA系統單晶片(SoC),以單一顆FPGA SoC就能完成機器手臂整體的多軸馬達控制。


以馬達控制的核心–電流環為例,若以低階的DSP來做為馬達控制核心,則系統平均約須200微秒(μs)來啟動電流環運作;若是透過FPGA則僅須耗時約50微秒,可大幅降低馬達反應時間及提高運作速度。羅霖強調,透過FPGA控制可將電流環的驅動反應時間縮短,加快系統運作速度,此將更有利於多軸馬達的操作。


另一方面,目前工控領域各種標準及協定百家爭鳴,且仍持續汰換升級,因此一般的特定應用積體電路(ASIC)及特定應用標準產品(ASSP)將難以提供系統商靈活的開發平台;反之,FPGA則能為系統開發商提供高彈性、高擴展性的開發環境。


值得注意的是,近來FPGA元件商積極發展的FPGA SoC產品,也在工控領域大有斬獲。由於工業領域具有垂直封閉的特色,各種協定、軟體支援常常互不相容,此時,單純的硬體整合方案,如FPGA SoC,對於工業領域的系統開發商來說反而極具優勢。因此,賽靈思也將其打造的All Programmable Zynq-7000 SoC視為進軍工業智慧自動化領域的重要武器。


賽靈思日前更於2014年嵌入式電子與工業電腦應用展(Embedded World)中,為其FPGA SoC下一代產品線–Zynq UltraScale MPSoC,發布新一代採用台積電16奈米鰭式場效電晶體(FinFET)製程的UltraScale多元處理(Multi-Processing, MP)架構。


據了解,賽靈思All Programmable MPSoC架構可為處理器提供32到64位元的擴充能力,並可支援虛擬化,結合軟硬體引擎進行即時控制和圖像/影像處理、波形與封包處理、新一代的一致性互聯和記憶體、高階電源管理,以及可提供多層防護、安全性和可靠度的加強技術。

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