基于FPGA的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

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介紹

我們可以用一個(gè)簡單的 8 位微控制器來控制電機(jī)，輸出一個(gè)簡單的脈寬調(diào)制波形。然而，當(dāng)想要進(jìn)行精密或高級電機(jī)控制時(shí)，沒有什么比 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，并創(chuàng)建一個(gè)簡單的示例。我們都知道，我們可以通過PWM信號來驅(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)它需要對電機(jī)控制理論有更多的了解。

電機(jī)

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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，該電場被外部磁體（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)是無刷電機(jī)，它們的驅(qū)動(dòng)稍微復(fù)雜一些，因?yàn)樗鼈儧]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?a href="http://www.ttokpm.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器。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 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 USB UART 也執(zhí)行相同操作

從 IP 庫添加 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 - 對于 GPIO，引腳是 J1，對于 PWM，引腳是 L2

構(gòu)建比特流并導(dǎo)出平臺

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("?33[2J");
//Display?the?main?menu
xil_printf("*******************************************

");
xil_printf("****??????www.adiuvoengineering.com????****

");
xil_printf("****??????Motor?Control?Example????????****

");
xil_printf("*******************************************

");
xil_printf("

");
xil_printf("???MM10?Motor?Control???

");
xil_printf("------------------------------------------
");
xil_printf("

");
xil_printf("Select?a?Speed:

");
xil_printf("??(1)???-?Stop

");
xil_printf("??(2)???-?25?%?

");
xil_printf("??(3)???-?33?%?

");
xil_printf("??(4)???-?50?%?

");
xil_printf("??(5)???-?66?%?

");
xil_printf("??(6)???-?75?%?

");
xil_printf("??(7)???-?100?%?

");
xil_printf("
");
}

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

");
????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

",key_input);
??switch?(key_input)?{
??case?'1':?//stop
??XTmrCtr_PwmDisable(&TimerCounterInst);
??break;
??case?'2':?//25%
???xil_printf("25%

");
??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;
}

?

當(dāng)然，我選擇的電機(jī)包含兩個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器.旋轉(zhuǎn)方向可以通過一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器位于另一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器前面的輸出來確定。

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

我們可以使用脈沖頻率來確定電機(jī)的速度，我們將在后面項(xiàng)目中更詳細(xì)地研究這一點(diǎn)。