使用FPGA实现一个直流有刷电机控制器

一、简介

本篇文章将介绍如何使用FPGA实现一个直流有刷电机控制器，主要包括 速度控制 和 角度控制(好像在无刷电机控制中，习惯将其称为环，即速度环 和 角度环(位置环))。因此这是一个闭环系统，需要得到系统的反馈，实时得到电机的转速和角度，所以需要上篇中编码器模块的输出，作为控制器的反馈,通过PID进行调节。

二、控制器框图设计

在做设计之前，最好先将功能明确下来，然后绘制简单的流程框图，当然这里先将程序实现完了之后，再绘制的流程框图￣□￣｜｜，框图如下，主要由三大模块组成(控制姿态就不包括在里面了)，角度、速度和PID模块，下面将一一介绍各个模块的具体细节。

三、PID模块

PID的原理在之前的文章中有提到过，就不再继续提起了，本次实现的方式方式和之前实现的方式一样，将PID系数扩大100倍取整，然后相乘，将得到的结果再右移7位 加速 右移 9位，约等于除以了100。

四、速度控制器

速度控制器里面主要做期望速度的输出和电机运动方向切换的控制。期望速度主要由外部输入和方向切换来控制，如果说需要进行方向切换的话，为了保护电机，不能立马进行电机的转向，而要等待速度降低到安全速度后，再进行方向切换。

所以如果电机不需要转向，那么期望速度就是外部设置的速度。

如果需要转向的话，先将期望速度设置为0，待速度降低到安全速度后，例如5RPM，就切换方向 和 将期望速度设置为外部设置的速度。

module controller_Speed_loop(
  input        sys_clk_i        ,    //时钟输入
  input        sys_rst_n_i       ,    //复位输入


  input        c_speed_loop_en_i    ,    //速度环使能信号


  input        motor_spin_dir_i    ,    //设置旋转方向
  input[15:0]     motor_rpm_set_i     ,    //设置速度
  input        encoder_direction_i   ,    //电机实际的运动方向
  input[15:0]     encoder_speed_i     ,    //编码器速度


  output reg     c_speed_loop_dir_o   ,    //速度环方向输出
  output reg[15:0]  c_speed_loop_rmp_o       //速度环RPM输出
);

五、角度控制器

控制过程和速度控制过程一样，将当前角度值和期望角度值输入角度PID进行计算，然后将计算后的结果输入到速度PID进行计算，得到PWM的变化值。

这一控制回路是比较简单的，如果说需要在角度旋转的时候，还需要对速度进行控制的话，就会复杂一点点(串级)，等后面有需求了再进行实现。

六、小结

本次实现的控制器 和 上次实现的 编码器，共同组成了一个简单的电机控制器，可用于对电机的速度 和 角度进行控制。

top层的控制信号如下，在速度模式下，只需要设置rmp的值，电机就可以进行转动，而在角度模式下，需要先设置旋转的角度值，然后在使能角度旋转，电机就会旋转对应的角度后，停止。

//控制信号
  .motor_mode_set_i        (   motor_mode_set       ),    //设置电机模式 2'b00 = 速度模式  2'b01 = 角度模式
  .motor_spin_dir_i        (   motor_spin_dir       ),    //电机运动方向控制 1'b0 正向  1'b1 反向
  .motor_rpm_set_i         (   motor_rpm_set        ),    //设置电机转速 RPM
  .motor_acc_set_i         (   motor_acc_set        ),    //设置电机加速度


  .motor_angle_en_i        (   motor_angle_en       ),    //角度旋转使能
  .motor_angle_ack_o        (   motor_angle_ack       ),    //角度旋转应答
  .motor_angle_set_i        (   motor_angle_set       ),    //设置电机旋转角度

本文转载自FPGA之旅

审核编辑：汤梓红