居高峰 陳嘉儷

摘要：生活中旋轉(zhuǎn)電機(jī)的使用需求日益增大，對(duì)其功能要求也隨之提高，為使電機(jī)呈現(xiàn)多種狀態(tài)動(dòng)作，本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)劍100開(kāi)源平臺(tái)的FPGA步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Vivado軟件對(duì)資料生成Bit流文件，將Bit流文件放到SD卡中配置到FPGA芯片之中，形成對(duì)應(yīng)的電路。然后使用CDK軟件編寫(xiě)代碼，實(shí)現(xiàn)四路PWM波，通過(guò)對(duì)PWM波控制，實(shí)現(xiàn)57系列步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與加減速功能。通過(guò)自行設(shè)計(jì)的上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

關(guān)鍵詞：FPGA開(kāi)發(fā)板;Bit流文件;步進(jìn)電機(jī);控制系統(tǒng)

Abstract：The demand for the use of rotating motors in daily life is increasing， and its functional requirements are also increasing. In order to make the motors show a variety of state actions， this paper designs an FPGA stepper motor drive system based on the Wujian 100 open source platform. The system uses Vivado software to generate a Bit stream file for the data， puts the Bit stream file in the SD card and configures it in the FPGA chip to form the corresponding circuit. Then use CDK software to write codes to realize four-channel PWM waves， and realize the forward and reverse rotation and acceleration/deceleration functions of 57 series stepping motors by controlling the PWM waves. Through the self-designed upper computer to monitor， realize the stepping motor drive.

Keywords：FPGA development board;Bit stream file;Stepper motor

旋轉(zhuǎn)電機(jī)的實(shí)用場(chǎng)景有電動(dòng)衣架、旋轉(zhuǎn)式烤箱及電動(dòng)卷簾門(mén)等，本文中以電動(dòng)卷簾門(mén)的應(yīng)用場(chǎng)景為主。電動(dòng)卷閘門(mén)是以多關(guān)節(jié)活動(dòng)的門(mén)片串聯(lián)在一起，起動(dòng)有電動(dòng)機(jī)組帶動(dòng)，在固定的滑道內(nèi)，以門(mén)上方卷軸為中心轉(zhuǎn)動(dòng)上下的門(mén)，廣泛適用于商業(yè)門(mén)面、車(chē)庫(kù)、商場(chǎng)、醫(yī)院、廠礦企業(yè)等公共場(chǎng)所或住宅。本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)電動(dòng)卷簾門(mén)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)Vivado生成FPGA的Bit流文件，電動(dòng)卷簾門(mén)采用按鍵裝置可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，變速轉(zhuǎn)動(dòng)及限位暫停，輕松方便。在滑臺(tái)兩側(cè)安裝了兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)滑臺(tái)觸碰到限位開(kāi)關(guān)之后滑臺(tái)會(huì)立即停止向前移動(dòng)，并且向相反的方向短暫滑行一段距離，以保證限位開(kāi)關(guān)彈簧的彈性，更加具有現(xiàn)實(shí)意義。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)包括平頭哥FPGA開(kāi)發(fā)板以及接口擴(kuò)展板，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，57步進(jìn)電機(jī)滑臺(tái)為執(zhí)行系統(tǒng)。

1.控制系統(tǒng)

如圖1所示， FPGA開(kāi)發(fā)板是平頭哥提供的Xilinx 7系列FPGA采用28nm HKMG HPL工藝的開(kāi)發(fā)板，大幅提高了FPGA性能和容量。配置時(shí)需要先將生成的Bit流文件以cfg.bit的名字命名存入SD卡中，將J5接口接道PS模式。上電后進(jìn)行按下power鍵與K6-RE-PROG按鍵。板上D7 LED等開(kāi)始快速閃爍，表示正在配置FPGA配置完成之后，D7 LED停止閃爍，D1 LED常亮綠色，表示配置正確。此過(guò)程需要一分鐘左右的時(shí)間。如圖2所示，設(shè)計(jì)的接口擴(kuò)展板包含電源接出口、YOC引腳接出口、PWM輸出口、限位開(kāi)關(guān)1與2、正反轉(zhuǎn)按鍵、加減速按鍵與停止按鍵。其中四路PWM口接入YOC3上的J24.1（PAD_PWM_CH0）、J24.4（PAD_PWM_CH2）、J24.6（PAD_PWM_CH4）、J24.8（PAD_PWM_CH6）;限位開(kāi)關(guān)1接入YOC1上的J2.5（PAD_GPIO_3），限位開(kāi)關(guān)2接入YOC1上的J2.8（PAD_GPIO_6）;正反轉(zhuǎn)按鍵接入YOC1上的J2.7（PAD_GPIO_5）;加減速按鍵接入YOC1上的J2.4（PAD_GPIO_2）;停止按鍵接入YOC1上的J2.6（PAD_GPIO_4）。

2.驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行系統(tǒng)

圖3是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要接入12伏穩(wěn)壓電源，左右兩端分別接入四路PWM波的1-4口。圖4為57步進(jìn)電機(jī)滑臺(tái)，滑臺(tái)左側(cè)裝有限位開(kāi)關(guān)，右側(cè)為滑臺(tái)的57驅(qū)動(dòng)電機(jī)與限位開(kāi)關(guān)。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.CDK軟件運(yùn)行代碼

將程序編輯好之后Build進(jìn)行編譯。點(diǎn)擊“Start/Stop Debugger”按鈕 進(jìn)入調(diào)試，最后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可在FPGA開(kāi)發(fā)板運(yùn)行代碼。用FPGA板上的YOC1上的J2.7（PAD_GPIO_5）、J2.4（PAD_GPIO_2）、J2.6（PAD_GPIO_4）分為控制轉(zhuǎn)向、控制加減速與停止的按鍵開(kāi)關(guān)。GPIO觸發(fā)方式統(tǒng)一設(shè)置成按鍵下降沿觸發(fā)中斷方式。用FPGA板上的YOC3上的J24.1（PAD_PWM_CH0）、J24.4（PAD_PWM_CH2）、J24.6（PAD_PWM_CH4）、J24.8（PAD_PWM_CH6）分別作為控制57電機(jī)的四路輸出PWM波形控制口。用FPGA板上的YOC4上的J23.3（PAD_USI0_SCLK）、J23.4（PAD_USI0_SD0）分別作為T(mén)X與RX，與串口的RX和TX相連。其初始化配置關(guān)鍵代碼如下：

2.電機(jī)算法

圖5是電機(jī)算法代碼流程圖。初始化之后，對(duì)按鍵進(jìn)行判斷以進(jìn)一步控制步進(jìn)電機(jī)。

3.Bit流文件生成流程

圖6在Vivado新建工程文件之后，選擇正確的開(kāi)發(fā)板型號(hào)，添加的Top文件與參數(shù)文件，再添加過(guò)后的FPGA的管腳約束與時(shí)序約束文件。開(kāi)始運(yùn)行占用資源。圖7是生成后的bit流文件，最后將Bit流文件命名成cfg.bit拷入SD卡中，即可打開(kāi)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行配置。

三、系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)以57步進(jìn)電機(jī)搭建的滑臺(tái)進(jìn)行結(jié)果的展示。三路PAD_GPIO口對(duì)應(yīng)按鍵分別為正轉(zhuǎn)/逆轉(zhuǎn)按鍵、加速/減速按鍵、停止按鍵。兩路PAD_GPIO對(duì)應(yīng)滑臺(tái)兩側(cè)的限位開(kāi)關(guān)。四路PAD_PWM_CH通道對(duì)應(yīng)PWM波形。從軟件設(shè)計(jì)到電機(jī)控制，形成了一個(gè)基于無(wú)劍平臺(tái)的FPGA開(kāi)發(fā)板的電機(jī)控制系統(tǒng)（圖8-11）。

四、結(jié)語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)電機(jī)的實(shí)用場(chǎng)景有電動(dòng)衣架、旋轉(zhuǎn)式烤箱及電動(dòng)卷簾門(mén)等，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)滑臺(tái)的左移右移，加速與減速。當(dāng)觸碰到兩側(cè)的限位開(kāi)關(guān)后會(huì)立即暫停并且再向相反的位置移動(dòng)一小段距離，用來(lái)保護(hù)限位開(kāi)關(guān)，防止丟失彈性。可直接應(yīng)用于實(shí)際中各種需要控制轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向的場(chǎng)所，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陶俊豪.FPGA在高壓高速直線電機(jī)檢測(cè)儀的應(yīng)用研究[J].電動(dòng)工具，2021（04）：10-14.

[2]邱靖超.基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中北大學(xué)，2021.

[3]劉楊.基于FPGA與單片機(jī)的數(shù)字高壓表設(shè)計(jì)[D].北華航天工業(yè)學(xué)院，2021.

[4]吳建成.基于FPGA模型設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2020.

[5]周傳偉.基于FPGA的圖像邊緣檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].成都理工大學(xué)，2020.

[6]李鈺.基于FPGA的多電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué)，2017.

作者簡(jiǎn)介

居高峰（1997.01-），男，漢族，江蘇省揚(yáng)州市人，南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院碩士研究生在讀，主要研究方向：集成電路。

通訊作者

陳嘉儷（2000.12-），女，漢族，江蘇省鹽城市人，南通大學(xué)杏林學(xué)院本科在讀，主要研究方向：電子信息工程。