Diafpga : diseño, implementación y análisis de sistemas de control sobre FPGA

Abstract

Se presenta el diseño, la implementación y el análisis de sistemas de control sobre FPGA (Field Programmable Gate Array), empleando como caso de estudio un robot manipulador de 5 grados de libertad. Para el trabajo se sintetiza en hardware algoritmos de control PID (Proportional Integral Derivative) para diferentes representaciones numéricas: enteros, punto fijo y punto flotante. Se analiza el impacto sobre la respuesta en el dominio del tiempo y el uso de recursos de hardware (área/frecuencia), a fin de obtener resultados aceptables sin caer al empleo de FPGAs costosas. El trabajo es una continuación de dos artículos de investigación realizados para el Laboratorio de Computación Reconfigurable (LCR) de la Universidad Tecnológica Nacional Regional Mendoza. En [1] se implementa un control de posición que opera con enteros y arroja un error mayor al 12% en estado estacionario. Esta situación no es tolerable por lo que en [2] se explora el uso de punto fijo. Se muestra el procedimiento para definir la cantidad de bits en formato Qmn y el impacto de los distintos tipos de redondeo. Adicionalmente se realiza un HMI (Human Machine Interface) inalámbrico para control y parametrización del robot, llevado a cabo, por medio de un SoC (System on a Chip) que incorpora microprocesador dual core y conectividad WiFi. Se incluye, modelado matemático de la planta, respuestas en el dominio del tiempo y de la frecuencia, mecanismos de sintonización de PIDs, sinterización en hardware de núcleos de comunicación, control y gestión usando VHDL como lenguaje descripción de hardware. Diseño y fabricación de PCBs (Printed Circuit Board) para etapas de adquisición de datos, acondicionamiento de señales, potencia y alimentación eléctrica.