Vol. 3# Número 1# Año 2023# Revista Impacto# ISSN 2789-861X Pág. 27 de 38

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bajo la Licencia CC BY 4.0.

Artículo de investigación

Control de servomotor con el microcontrolador empotrado

MicroBlaze MCS

garantice su funcionamiento en cuanto a precisión y fiabilidad. Uno de ellos es la modulación

de ancho de pulso o Pulse Width Modulation (PWM), que modifica el ancho del pulso de una

señal digital a fin de controlar la energía suministrada a un servomotor. Este mecanismo se

ha realizado con diferentes tecnologías como controladores lógicos programables (PLC),

microprocesadores, circuitos integrados, etc. Con la aparición de los Field Programable Gate

Array (FPGA) ha surgido la posibilidad que, a diferencia de las otras tecnologías, se pueda

diseñar un microcontrolador empotrado a medida, con la posibilidad de reconfigurar el diseño

original, a fin de adaptarse a eventuales modificaciones en el tamaño del proceso mediante la

reprogramación del hardware de la FPGA. El propósito de este trabajo es presentar un

microcontrolador empotrado PWM basado en MicroBlaze MCS para controlar un servomotor

operation in terms of precision and reliability. One of them is Pulse Width Modulation (PWM),

which modifies the pulse width of a digital signal in order to control the power supplied to a

servo motor. This mechanism is typically made using technologies such as programmable

logic controllers (PLC), microprocessors, integrated circuits, etc. With the appearance of the

Field Programmable Gate Array (FPGA), there is the possibility to integrate such systems into

a custom FPGA-based embedded microcontroller that allows reconfiguring the original design

to adapt to eventual changes in the size of the process. The purpose of this work is to present

an embedded PWM microcontroller based on a MicroBlaze MCS microcontroller to control a

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servomotor by modifying the Duty Cycle of a periodic signal at a fixed frequency. The results

suministrada a una carga a fin de modificar su funcionamiento, ha sido la modulación de ancho

de pulso o Pulse Width Modulation (PWM). Este sistema de control, utiliza la variación del

ciclo de trabajo o Duty Cycle. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho de su

parte positiva, con respecto al periodo de la señal. El mismo esta expresado en porcentaje

por lo que un Duty Cycle de 10% indica 10 de 100 a nivel alto.

Figura 1. Diferentes valores de Duty Cycle (2). Duty Cycle = t/T en donde t es el tiempo que

la señal está en su nivel alto y T es el periodo de la señal o sea el tiempo que tarda en repetirse

a sí misma.

En la figura 1 se pueden observar diferentes valores de Duty Cycle, 0%, 25%, 50%, 75% y

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Se han utilizado diferentes tecnologías para implementar un controlador PWM que van desde

MCS (MicroBlaze Micro Controller System), reduciendo el tiempo de diseño del mismo ya que

es una librería IP disponible dentro de las herramientas suministradas por el fabricante AMD.

Se han realizado controladores con diferentes diseños, como el uso de lenguajes como

Verilog o VHDL que presentan bastante complejidad o utilizando las librerías IP que reducen

el tiempo de desarrollo y disminuyen la complejidad del diseño, contando en ambos casos con

las ventajas que tienen las FPGAs de funcionar como un instrumento de control con sus

características de paralelismo y reconfiguración. (9,10).

Dentro de las familias de las FPGA de AMD, se destaca una herramienta llamado MicroBlaze

que es un microprocesador de propósito general que se forma a partir de la utilización de los

recursos ubicados dentro de la FPGA. MicroBlaze es un procesador descrito en VHDL y

almacenan en una memoria local, la depuración la facilita el módulo de depuración MicroBlaze

(MDM).

Ahora bien, como la aplicación es de uso industrial por lo general se utilizan

microcontroladores ya que su diseño interno es más simple y ejecuta las órdenes con más

velocidad. Por ello AMD tiene una versión más simplificada del MicroBlaze que puede ser

utilizado como un microcontrolador siendo este el MicroBlaze MCS (11,20). Incluye un

conjunto estándar de periféricos, que proporcionan funcionalidad básica como un controlador

de interrupción, UART, temporizadores y entradas y salidas de uso general. MicroBlaze MCS

se presenta como un sistema preconfigurado que incluye el procesador de software RISC de

32 bits en modo de canalización de 3 etapas, acceso a la memoria local, un módulo I/O

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microcontroladores que se quiere utilizar y del modelo de FPGA utilizado en su diseño. Para

dirigidas a procesadores integrados AMD. SDK funciona con diseños de hardware creados

con Vivado Design Suite. Como cualquier sistema de control que afecta a un motor, siempre

está presente una interface entre la etapa de control y la etapa de potencia, en este caso se

utiliza un driver Pmod Con3 de Digilent (12), que puede manejar hasta cuatro servos

simultáneamente. Finalmente, la carga es un servo motor GWS servo (13) que se puede

utilizar en varias aplicaciones. En este punto se debe plantear porque se ha optado por utilizar

como controlador una FPGA y no un microcontrolador de propósito general o MCU. Algunas

ventajas importantes de las FPGAs son su programación hardware, alto poder de

procesamiento, es ideal para aplicaciones complejas y algo muy importante tiene capacidad

de procesamiento paralelo, mientras que las ventajas de los microcontroladores son su

parcial dinámica es posible volver a reconfigurar el área afectada y volver a integrarlo dentro

del proceso en ejecución sin la necesidad de detener el funcionamiento de todo el sistema y

la posibilidad de hacerlo a distancia (17, 18, 19). En este punto se debe puntualizar que la

posibilidad de realizar la reconfiguración parcial dinámica es una ventaja que solo brindan las

FPGAs a diferencia de otras tecnologías, por lo que la propuesta se presenta con esa ventaja

sobre otras tecnologías de control utilizando PWM.

El sistema diseñado consta de una placa Nexys 4 de Digilent que utiliza un FPGA Artix 7 de

AMD. El controlador del motor es un Pmod CON3 que entrega 50 a 300 pulgadas de torque,

utilizados en drones, automóviles a escala controlados por radio y proyectos de mecatrónica.

El diseño hardware fue realizado con Vivado 2019.1 y la funcionalidad del mismo fue realizada

en lenguaje C mediante el entorno de desarrollo Software Development Kit (SDK) 2019.1

ambos también de AMD. Las señales generadas son monitorizadas mediante Analog

Discovery 2 que es un procesador de señales con múltiples funcionalidades.

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La programación Hardware se realiza utilizando herramientas IP (intellectual property)

interface de la carga a controlar en este caso un servomotor GWS Servo.

A fin de verificar el funcionamiento del diseño se monitoriza la señal PWM externamente

mediante el analizador lógico Analog Discovery 2 de Digilent. En la Figura 2 se observan todos

los componentes del proyecto.

La funcionalidad del hardware diseñado se da mediante el uso del editor de lenguaje C incluido

en el SDK.

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3. Resultados y Discusión

En todos los casos se presenta como resultado las capturas de pantalla del Analog Discovery

2 configurado en modo osciloscopio ya que este instrumento tiene diferentes funcionalidades.

Vemos en la Figura 4 que la duración del periodo que es de 2,57 microsegundos que será

una constante ya que se irá modificando el ciclo de trabajo para determinar la energía que

entrega el controlador. El ciclo de trabajo es de 544,9 nanosegundos equivalentes a 0.544

microsegundos, siendo su Duty Cycle de 21 %, es decir, la transferencia de energía es baja.

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En la Figura 5 se observa una entrega de energía mayor con un ciclo de trabajo de 1,003

Figura 5. Duty Cycle de 38,9%

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En la Figura 6 se observa una entrega mayor con un ciclo de trabajo de 1,524 microsegundos

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Finalmente, en la Figura 7 se observa un ciclo de trabajo de entrega mayor con un ciclo de

hasta 24 pines de E/S gracias a sus terminales Pmods. Con ello es posible realizar el control

de numerosos servomotores, ya sea con el mismo o diferentes Duty Cycles según las