FPGA 非常適合精密電機(jī)控制，在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的電機(jī)控制程序，在此基礎(chǔ)上可以構(gòu)建更復(fù)雜的應(yīng)用。

需要的硬件

Digilent Pmod HB3

介紹

我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的 8 位微控制器來(lái)控制電機(jī)，輸出一個(gè)簡(jiǎn)單的脈寬調(diào)制波形。然而，當(dāng)想要進(jìn)行精密或高級(jí)電機(jī)控制時(shí)，沒(méi)有什么比 FPGA 的確定性和實(shí)時(shí)響應(yīng)更好的了。接口的靈活性還使得可以通過(guò)單個(gè)設(shè)備控制多個(gè)電機(jī)，從而提供更加集成的解決方案。

首先，我們將學(xué)習(xí)一些有關(guān)電機(jī)控制理論的知識(shí)，并創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的示例。我們都知道，我們可以通過(guò)PWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)并控制其速度。然而，高效、精確地驅(qū)動(dòng)它需要對(duì)電機(jī)控制理論有更多的了解。

電機(jī)

不管你信不信，我在大學(xué)最喜歡的課程之一是控制理論。在該模塊中，我們研究了交流電機(jī)和直流電機(jī)，了解理論和實(shí)際用例。有多種類型的交流電機(jī)由交流電源供電，可分為同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)。例如，交流電機(jī)通常用于泵和壓縮機(jī)。

直流電機(jī)分為有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)兩種。在兩種類型中，有刷是最容易驅(qū)動(dòng)的，因?yàn)樗鼈冎恍枰粋€(gè)電源。在有刷直流電機(jī)中，電刷向連接有轉(zhuǎn)子和線圈的換向器提供電流。電流在線圈中感應(yīng)出電場(chǎng)，該電場(chǎng)被外部磁體（定子）排斥。為了確保旋轉(zhuǎn)，換向器的設(shè)計(jì)使得電流反向流動(dòng)以確保連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

第二種類型的直流電機(jī)是無(wú)刷電機(jī)，它們的驅(qū)動(dòng)稍微復(fù)雜一些，因?yàn)樗鼈儧](méi)有換向器。相反，磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，線圈纏繞在定子周圍，這樣線圈的電流就可以從外部控制和排序。

兩者中最容易控制的是有刷直流電機(jī)，所以我們就以這類電機(jī)為例。

脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)

使用 PWM 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理論是，可以控制電機(jī)得到的平均電壓，從而控制其速度。在 PWM 信號(hào)占空比為 100% 時(shí)，電機(jī)處于滿電壓并全速運(yùn)行。如果提供 10% 的占空比，電機(jī)就會(huì)以其全速的 10% 運(yùn)行。

然而，為了有效地運(yùn)行電機(jī)，我們需要正確確定 PWM 周期。直流電機(jī)具有串聯(lián)電感和串聯(lián)電阻，這意味著電機(jī)將充當(dāng)?shù)屯V波器。頻率削減為

其中時(shí)間常數(shù)由 L/R 給出 - 我們可以從電機(jī)數(shù)據(jù)表中獲得這些值。

因此，為了確保穩(wěn)定的速度，我們需要選擇高于電機(jī)頻率截止的 PWM 頻率，以確保觀察到直流分量。

因此，我們要選擇一個(gè)至少是截止頻率 5 倍的頻率。

FPGA

為了開始這個(gè)項(xiàng)目，我們首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)針對(duì) FPGA 板的硬件設(shè)計(jì)。

開始創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目

為項(xiàng)目命名

選擇 RTL 項(xiàng)目但不指定來(lái)源

創(chuàng)建項(xiàng)目后，創(chuàng)建一個(gè)新的框圖

從“板”選項(xiàng)卡將系統(tǒng)時(shí)鐘拉到框圖上

對(duì) USB UART 也執(zhí)行相同操作

從 IP 庫(kù)添加 MicroBlaze 處理器

運(yùn)行塊自動(dòng)化連接，選擇本地內(nèi)存大小為32KB并取消選中中斷控制器

添加 AXI 定時(shí)器

運(yùn)行連接自動(dòng)化

打開時(shí)鐘向?qū)Р⑷∠x擇復(fù)位輸入

添加 GPIO

重新定制GPIO為1位寬，僅輸出

選擇 GPIO 輸出和 AXI 定時(shí)器 PWM 并將其設(shè)引出

完成后應(yīng)如下所示。

綜合完成后，我們可以打開綜合視圖并將 IO 分配給 GPIO 和定時(shí)器輸出 - 對(duì)于 GPIO，引腳是 J1，對(duì)于 PWM，引腳是 L2

構(gòu)建比特流并導(dǎo)出平臺(tái)

vitis設(shè)計(jì)

打開Vitis創(chuàng)建一個(gè)新的應(yīng)用程序項(xiàng)目并選擇剛剛導(dǎo)出的XSA。

輸入項(xiàng)目名稱

選擇獨(dú)立

創(chuàng)建一個(gè)新的 hello world 應(yīng)用程序

應(yīng)用軟件非常簡(jiǎn)單，我們將根據(jù)所需的 PWM 周期以及所需的占空比配置 AXI 定時(shí)器。

#include  #include "platform.h" #include "xil_printf.h" #include "xtmrctr.h" #define TMRCTR_DEVICE_ID        XPAR_TMRCTR_0_DEVICE_ID #define PWM_PERIOD              1000000    /* PWM period in (500 ms) */ #define TMRCTR_0                0            /* Timer 0 ID */ #define TMRCTR_1                1            /* Timer 1 ID */ #define CYCLE_PER_DUTYCYCLE     10           /* Clock cycles per duty cycle */ #define MAX_DUTYCYCLE           100          /* Max duty cycle */ #define DUTYCYCLE_DIVISOR       2            /* Duty cycle Divisor */ XTmrCtr TimerCounterInst;

void display_menu()
{
//Clear the screen
xil_printf("\033[2J");
//Display the main menu
xil_printf("*******************************************\n\r");
xil_printf("****      www.adiuvoengineering.com    ****\n\r");
xil_printf("****      Motor Control Example        ****\n\r");
xil_printf("*******************************************\n\r");
xil_printf("\n\r");
xil_printf("   MM10 Motor Control   \n\r");
xil_printf("------------------------------------------\n");
xil_printf("\n\r");
xil_printf("Select a Speed:\n\r");
xil_printf("  (1)   - Stop\n\r");
xil_printf("  (2)   - 25 % \n\r");
xil_printf("  (3)   - 33 % \n\r");
xil_printf("  (4)   - 50 % \n\r");
xil_printf("  (5)   - 66 % \n\r");
xil_printf("  (6)   - 75 % \n\r");
xil_printf("  (7)   - 100 % \n\r");
xil_printf("\n");
}

void set_pwm(u32 cycle)
{
 u32 HighTime;
 XTmrCtr_PwmDisable(&TimerCounterInst);
 HighTime = PWM_PERIOD * (( float) cycle / 100.0 );
 XTmrCtr_PwmConfigure(&TimerCounterInst, PWM_PERIOD, HighTime);
 XTmrCtr_PwmEnable(&TimerCounterInst);
}

int main()
{
 u8  Div;
 u32 Period;
 u32 HighTime;
 char key_input;
 u8 DutyCycle;
 init_platform(); print("Hello World\n\r"); print("Successfully ran Hello World application");

 XTmrCtr_Initialize(&TimerCounterInst, TMRCTR_DEVICE_ID);


 Div = DUTYCYCLE_DIVISOR;
 XTmrCtr_PwmDisable(&TimerCounterInst);
 Period = PWM_PERIOD;
 HighTime = PWM_PERIOD / Div--;
 XTmrCtr_PwmConfigure(&TimerCounterInst, Period, HighTime);
 XTmrCtr_PwmEnable(&TimerCounterInst); while(1){
 display_menu(); read(1, (char*)&key_input, 1);
 xil_printf("Echo %c\n\r",key_input);
 switch (key_input) { case '1': //stop
 XTmrCtr_PwmDisable(&TimerCounterInst); break; case '2': //25%
 xil_printf("25%\n\r");
 DutyCycle = 25;
 set_pwm(DutyCycle); break; case '3': //33%
 DutyCycle = 33;
 set_pwm(DutyCycle); break; case '4': //50%
 DutyCycle = 50;
 set_pwm(DutyCycle); break; case '5': //66%
 DutyCycle = 66;
 set_pwm(DutyCycle); break; case '6': //75%
 DutyCycle = 75;
 set_pwm(DutyCycle); break; case '7': //100%
 DutyCycle = 100;
 set_pwm(DutyCycle); break;
 }
 }

 cleanup_platform(); return 0;
}