基于FPGA的电机控制系统设计

FPGA技术江湖 2023-08-26 07:29

FPGA 非常适合精密电机控制，在这个项目中，我们将创建一个简单的电机控制程序，在此基础上可以构建更复杂的应用。

需要的硬件

Digilent Pmod HB3

介绍

我们可以用一个简单的 8 位微控制器来控制电机，输出一个简单的脉宽调制波形。然而，当想要进行精密或高级电机控制时，没有什么比 FPGA 的确定性和实时响应更好的了。接口的灵活性还使得可以通过单个设备控制多个电机，从而提供更加集成的解决方案。

首先，我们将学习一些有关电机控制理论的知识，并创建一个简单的示例。我们都知道，我们可以通过PWM信号来驱动直流电机并控制其速度。然而，高效、精确地驱动它需要对电机控制理论有更多的了解。

电机

不管你信不信，我在大学最喜欢的课程之一是控制理论。在该模块中，我们研究了交流电机和直流电机，了解理论和实际用例。有多种类型的交流电机由交流电源供电，可分为同步电机和感应电机。例如，交流电机通常用于泵和压缩机。

直流电机分为有刷电机和无刷电机两种。在两种类型中，有刷是最容易驱动的，因为它们只需要一个电源。在有刷直流电机中，电刷向连接有转子和线圈的换向器提供电流。电流在线圈中感应出电场，该电场被外部磁体（定子）排斥。为了确保旋转，换向器的设计使得电流反向流动以确保连续旋转。

第二种类型的直流电机是无刷电机，它们的驱动稍微复杂一些，因为它们没有换向器。相反，磁体安装在转子上，线圈缠绕在定子周围，这样线圈的电流就可以从外部控制和排序。

两者中最容易控制的是有刷直流电机，所以我们就以这类电机为例。

脉宽调制驱动

使用 PWM 驱动电机的理论是，可以控制电机得到的平均电压，从而控制其速度。在 PWM 信号占空比为 100% 时，电机处于满电压并全速运行。如果提供 10% 的占空比，电机就会以其全速的 10% 运行。

然而，为了有效地运行电机，我们需要正确确定 PWM 周期。直流电机具有串联电感和串联电阻，这意味着电机将充当低通滤波器。频率削减为

其中时间常数由 L/R 给出 - 我们可以从电机数据表中获得这些值。

因此，为了确保稳定的速度，我们需要选择高于电机频率截止的 PWM 频率，以确保观察到直流分量。

因此，我们要选择一个至少是截止频率 5 倍的频率。

FPGA

为了开始这个项目，我们首先要创建一个针对 FPGA 板的硬件设计。

开始创建一个新项目

为项目命名

选择 RTL 项目但不指定来源

创建项目后，创建一个新的框图

从“板”选项卡将系统时钟拉到框图上

对 USB UART 也执行相同操作

从 IP 库添加 MicroBlaze 处理器

运行块自动化连接，选择本地内存大小为32KB并取消选中中断控制器

添加 AXI 定时器

运行连接自动化

打开时钟向导并取消选择复位输入

添加 GPIO

重新定制GPIO为1位宽，仅输出

选择 GPIO 输出和 AXI 定时器 PWM 并将其设引出

完成后应如下所示。

综合完成后，我们可以打开综合视图并将 IO 分配给 GPIO 和定时器输出 - 对于 GPIO，引脚是 J1，对于 PWM，引脚是 L2

构建比特流并导出平台

vitis设计

打开Vitis创建一个新的应用程序项目并选择刚刚导出的XSA。

输入项目名称

选择独立

创建一个新的 hello world 应用程序

应用软件非常简单，我们将根据所需的 PWM 周期以及所需的占空比配置 AXI 定时器。

#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;
}