FPGA缘何是电机控制应用的明智选择？

　　电子发烧友网讯：你是否知道在一片FPGA中可以开发灵活而且能够更新的电机控制系统？通过仅仅6分钟的视频，电子发烧友网编辑了解到： FPGA是电机控制最佳选择四大理由、实现简单反馈机制来同步两个电机全过程、在可更新电机控制解决方案中使用Qsys集成工具等通用设计工具并观看基于 BeMicro SDK的电机控制套件（BeInMotion）的两个演示。（该视频由Altera的应用工程师Bob Siller为大家讲解）在这里小编跟大家一起分享！

　　Bob告诉我们在一片FPGA中开发灵活而且能够更新的电机控制系统。FPGA之所以成为电机控制应用的明智选择，是因为FPGA具有基于处理器的解决方案所无法实现的非常显著的四种优点。

图 Altera的应用工程师Bob Siller

　　（1）降低系统总成本：通过在FPGA中集成多种功能，能有效地降低系统总成本；

　　（2）缩短产品面市时间：在新方案中通过调整设计并重新使用原有单元，能够缩短产品的面市时间；

　　（3）简化设计方法：通过提供直观而且功能强大的设计流程，简化设计方法；

　　（4）延长产品生命周期：透过增加特性和功能，FPGA能够延长产品的生命周期。

　　接下来，我们将了解BeInMotion电机控制套件（如图01）。它是艾瑞电子提供的最新产品之一。基于流行的BeMicro SDK，该套件含有实用和可以重复使用的参考设计，能帮助用户理解怎样控制DC和步进电机。

　　
图 01 BeInMotion电机控制套件

　　BeMicro SDK采用Cyclone IV FPGA（如图02），通过其边沿连接器，可以轻易将其插入到BeInMotion电机控制模块中。

图02 Cyclone IV FPGA

　　首先，让我们仔细看一下电机控制模块。该模块采用了两个独立的受控DC电机（图03）、具有简单的光反馈系统（图04）、一块彩色LCD显示屏（图05）、用户可编程开关和通用I/O（图06）、近距离传感器（图07）、具有模拟反馈系统的齿轮步进电机（图08）、具有两个轮子和一个转向轮的基本模块（图09）和一块USB 可充电电池（图010）。

图03 两个独立的受控DC电机

图04 简单的光反馈系统


图05 彩色LCD显示屏

图06 用户可编程开关和通用I/O

图07 近距离传感器

图08 具有模拟反馈系统的齿轮步进电机

图09 具有两个轮子和一个转向轮的基本模块

图10 一块USB 可充电电池

　　FPGA可用于控制多种类型的电机，或开发一个设计来控制多个DC电机。

　　基本结构图（如图011），FPGA中集成了一个嵌入式软核处理器。在这个例子中，Nios II处理器管理反馈和分别移动两个DC电机的控制信号（图012）。电机的反馈系统采用了光分度器（图013），它检测电机的旋转速度。Nios II处理器读取来自分度器的数据，运行算法来同步两个电机的旋转。这调动了模块的运动，同时它读取位于模块前端的近距离传感器。

图011 基本结构图

图012 Nios II处理器管理反馈和分别移动两个DC电机的控制信号

图013 光分度器

　　该传感器感应桌子边沿、墙或沿线条行进，让我们从Qsys系统集成工具开始。Qsys是Quartus II设计环境的一部分，其好处是能可以生成互联，而不需要自己编写VHDL代码。还支持开发并重复使用IP组件。（图014）例如模块中的两个DC电机，这提供了灵活的设计环境，大幅度缩短了开发时间。

图014 Qsys系统集成工具

　　这工程已被用于对BeMicro SDK进行编程，可以继续将其插入到BeInMotion电机控制基本单元中并打开它。

　　如果选择“Table Edge”这一参数（如图015），在LCD显示屏的菜单中BeInMotion将使用来自近距离传感器的数据以避免掉到桌子下面去。 BeInMotion第一次启动（图016）时，两个电机并没有同步，但我们已在FPGA中使用自校正算法，几个周期后两个电机进入同步，沿着一条直线行动（图017）。在实际应用中，FPGA能够在几个微秒内处理控制环路。它还感应到桌子边沿（图018），向处理器发送信号、改变方向（图019），直到看到另一个桌子的边沿。

图015 选择“Table Edge”参数

图016 BeInMotion第一次启动

图017 沿着一条直线行动

图018 感应到桌子边沿

图019 向处理器发送信号、改变方向

　　对于防撞墙设计，我们只需要修改传感器的位置_（将如图020所示的位置改为如图021所示的位置即可）（如图020 图021），从菜单中的选择“Wall Detect”参数。模块会一直前进，直到它检测到靠近墙（图022），然后改变方向以避开墙（图023）。再次遇到另一面墙（图024），继续改变方向（图025）。

图020 修改传感器的位置

图021防撞墙设计传感器的位置

图022 检测到靠近墙

图023 改变方向以避开墙

图024 再次遇到另一面墙

图025 继续改变方向

　　利用该模块可以很容易实现在BeInMotion套件内提供的各个参考设计，如实现进行加速等其他功能。

　　除了上述两个功能外，还有另外一个参考设计：可以利用它让模块沿着一条线行进。该模块还为步进电机提供了参考设计，通过这设计您可控制电机的步幅（全步、半步甚至是微步模式 如图026）。

 
图26 通过调节电机模式可控制电机的步幅

　　艾瑞电子BeInMotion电机控制套件是很有趣的方式。通过它可了解FPGA怎样用于开发简单电机控制系统，同时还可了解在FPGA中集成关键功能会有多大灵活性和多强大（图027），可实现非常复杂的电机控制和驱动系统。例如，在一片FPGA硬件中，可以连接任何数字接口、传感器或者编码器，实现滤波器或运行需大量DSP的控制算法。说不定在您的下一个电机控制设计中，就能使用到这种既简单又快速的艾瑞电子BeInMotion电机控制套件。

图027 FPGA中集成关键功能灵活性和强大


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