Silnik krokowy sterowany z układu FPGA

[RaV]

Układy FPGA wydają się trochę bardziej tajemnicze niż mikrokontrolery. Można jednak dość szybko rozpocząć z nimi przygodę za pomocą narzędzi graficznych. W tutorialu przyjrzymy się układowi z rodziny Max10 znanej firmy Intel. Wykorzystamy go do sterowania silnikiem krokowym. Gotowy prototyp przedstawia Rys. 1.

Rys. 1. Zmontowany prototyp.

Składamy sprzęt

W projekcie wykorzystamy płytkę Rysino z stosunkowo niewielkim układem z rodziny 10M04. Podłączymy do niej silnik krokowy 28BYJ-48 poprzez sterownik zbudowany z wykorzystaniem popularnego układu ULN2003.

Nasz silnik składa się z dwóch uzwojeń. Każde z nich ma w połowie wyprowadzony odczep. Kolory z rysunku odpowiadają kolorom przewodów zamontowanych w użytym modelu. Obrót silnika następuje, gdy zmieniamy ich polaryzację poprzez zasilenie złącza +, albo złącza -. W tym projekcie skorzystamy z najprostszego typu sterowania zwanego pełno krokowym.

Rys. 2. Stany na cewkach silnika.

Rys. 3. Przebiegi czasowe na cewkach silnika.

Na Rys. 2. widzimy, że aby obracać silnik musimy po kolei ustawiać cztery różne kombinację napięcia na cewkach. Natomiast Rys. 3. pokazuje jak będą wyglądały przebiegi przedstawione w tabelce. Jeżeli będziemy przechodzić „z góry na dół” nasz silnik będzie wykonywał obroty zgodnie z kierunkiem ruchu zegara. Aby zmienić kierunek obrotu wystarczy przełączać stany w przeciwnym kierunku. Pojawia się tu słowo klucz: stan, które pozwoli nam wybrać sposób implementacji sterownika. Zbudujemy maszynę stanów. Ale najpierw podłączmy silnik do układu FPGA. Schemat połączenia pokazuje Rys. 4. To jego wykonania potrzebujemy przewodów połączeniowych.

Rys. 4. Sposób połączenia płytki Rysino z sterownikiem silnika.

Wsad dla układu FPGA

Aby zbudować wsad dla układu FGPA potrzebujemy zintegrowane środowisko dostarczone przez producenta. Najpierw musimy jednak się zarejestrować. Następnie ze strony producenta pobieramy środowisko Quartus Prime Lite Edition. Ja korzystałem z wersji 18.1. Pobieramy: 

• Quartus Prime (includes Nios II EDS) (1.7GB)
• MAX 10 FPGA device support. (330MB)

Jak widzimy niestety są to dość duże pliki...

Po instalacji możemy przejść do tworzenia projektu. Przygotujemy go w całości w narzędziach graficznych. Składa się on z dwóch głównych części. Najpierw przygotujemy maszynę stanów, którą widzimy na Rys. 5.

Rys. 5. Maszyna stanów.

Następnie umieścimy gotową maszynę w projekcie, dołożymy licznik zmniejszający szybkość przełączania stanów oraz wejścia i wyjścia. Gotowy schemat pokazuje Rys. 6.

Rys. 6. Diagram gotowego projektu.

Jednak opisywanie „wyklikiwania” poszczególnych elementów było by dość zagmatwane, dlatego przygotowałem film, w którym zobaczymy wszystko krok po kroku. A na samym końcu znajdziemy demonstrację działania gotowego projektu.

Na końcu pozostaje już tylko podłączenie płytki do komputera za pomocą przewodu miniUSB. Do złącza JTAG podłączamy programator USB Blaster i wgrywamy nasz projekt. Cały projekt jest także dostępny w repozytorium.

 

 

Edytowano Maj 7, 2020 przez RaV
Usunięcie zdublowanej kropki.