Zynqによるモーター制御

0. Zybot-R の Servo&Motor

まずZybot-RのMotorの仕様と接続を確認する。特に★のついた資料は後で必要になる。

Servo Motors

Motors

設計条件の確認と検討

これらZybot-Rのモータを制御するPWMを設計する。これまでの講義と演習の内容、仕様書、設計ファイル、実機をよく確認し、さらに自身で仕様を検討して、以下の下線部・空欄を埋めよ。

PWM とは＿＿＿＿＿＿＿＿＿の略である。
サーボモータのPWMの周期は＿＿＿＿＿にする。
サーボモータのパルス幅は最大＿＿＿＿＿、最小＿＿＿＿＿にする。
車輪モータに対して、HB5のDIR信号で＿＿＿＿＿をEN信号で＿＿＿＿＿を指示する。
HB5のSA,SB信号で車輪モータの＿＿＿＿＿を計測することができる。
車輪モータの出力制御のPWMの周期は＿＿＿＿＿にする。
PL部のクロックは＿＿＿＿＿である。
PWMを実現するためのカウンタは＿＿＿bitにする。

次の信号が接続されているコネクタ、ピン、信号名をまとめよ。

信号	コネクタ名	コネクタピン番号	FPGA ピン番号	Verlog記述中の信号名	入出力の方向
カメラ上下サーボの制御信号	Pmod JD	9	V17	jd9	output
カメラ左右サーボの制御信号
右車輪モータのDIR信号
右車輪モータのEN信号
右車輪モータのSA信号
右車輪モータのSB信号
左車輪モータのDIR信号
左車輪モータのEN信号
左車輪モータのSA信号
左車輪モータのSB信号

設計の基本方針

以下では、 Zybot-Rのモーター制御のためのPWM制御回路を自身で設計する。次の基本方針に沿って設計するとよい。　

前の演習の設計をベースに追加・改造する。
汎用的なPWMモジュールをPL部の回路として設計する。（使いまわす。必要に応じて、これを部品としてより複雑なモジュールを設計する。）
まずはPL部のみで設計・動作テストを行う。
PS-PL間のGPIOを増設してPWMモジュールと接続する。
PS部のプログラムでPWMモジュールを制御する。
（初級）カメラ用サーボモータの制御。
（中級）サーボモータのデフォルト位置（値０での位置）を可動範囲の中心にする。リセット時にデフォルト位置になるようにする。（安全設計）
（中級）車輪モータの出力、方向の制御。
（中級）パルス幅の上限、下限を設定できるようにする。（安全設計）
（中級）パルス幅出力を繰り返し（車輪出力制御用）と単発（カメラ角度制御用）で切り替えられるようにする。
（上級）車輪モータの回転数・回転方向の測定。
（上級）車輪モータが目標回転数になるように制御する。回転数を検知して出力をフィードバック制御する。

参考：いずみサンプル設計の仕様

axi_gpio_1, port 1 に上下カメラ用PWM値を出力する。ゼロで中央位置、マイナス値で上、プラス値で下。
axi_gpio_1, port 2 に左右カメラ用PWM値を出力する。ゼロで中央位置、マイナス値で右、プラス値で左。
axi_gpio_2, port 1 に右輪用PWM値を出力する。ゼロで停止、マイナス値で後退、プラス値で前進。
axi_gpio_2, port 2 に左輪用PWM値を出力する。ゼロで停止、マイナス値で後退、プラス値で前進。
axi_gpio_2, port 1 から右輪の回転数を入力する。電源投入時点でゼロ、前進するとカウントアップ、後退するとカウントダウン。
axi_gpio_2, port 2 から左輪の回転数を入力する。電源投入時点でゼロ、前進するとカウントアップ、後退するとカウントダウン。
linaro版のPWM制御と仕様がことなるので注意！
Vivado プロジェクト名: zynqpwm, ファイル名: zybo_top_pwm.v（前の演習のzybo_top.vを改造）, pwm.v（新規設計）, uart.v, hex2oled.v, zybo.xdc, debug.xdc（これらは前の演習のまま）
SDK プロジェクト名: testpwm, ファイル名: testpwm.c（前の演習の testgpio.cを改造）

1. PWM制御回路の設計

自分自身のPWM制御回路を設計せよ。
実機動作確認せよ。

2. PWM制御回路用テストプログラムの設計

自身のPWM制御回路をPS部に接続せよ。
テストプログラムを設計せよ。
実機動作確認せよ。

※PWMモジュールのデバグがうまくできない場合、プロセッサを使わずにロジックだけでPWMモジュールをテストするサンプル zynqpwmtest.tgz を参考にする。

※自身での設計を途中でギブアップした場合、サンプルの生成結果 zynqpwm_generated.tgz を使用する。 Vivado IDE でハードウェア情報に zynqpwm/ZYBO_top.xsa および PL部をプログラムするビットストリームに zynqpwm/zynqpwm.runs/impl_1/ZYBO_top.bit を使用する。

-1. Verilog の復習が必要な方へ

まずはＬチカでリハビリすべし

1Hz程度、Duty比1:1でLD3を点滅させよ。
1Hz程度、Duty比3:1でLD3を点滅させよ。
2Hz程度、Duty比3:1でLD3を点滅させよ。
SW3で周期、SW2で点灯時間を変更できるようにせよ。
PSから周波数、Duty比を変更できるようにせよ。

Duty比 = 点灯時間 : 消灯時間である。 (1)～(4) はPSを使わずPLのみで実現すること。

いずみ研的リハビリ課題

泉知論＠立命館大学理工学部電子情報工学科その他の講義＆演習資料はこちら