使用FPGA實現一個直流有刷電機控制器

一、簡介

本篇文章將介紹如何使用FPGA實現一個直流有刷電機控制器，主要包括 速度控制 和 角度控制(好像在無刷電機控制中，習慣將其稱為環，即速度環 和 角度環(位置環))。因此這是一個閉環系統，需要得到系統的反饋，實時得到電機的轉速和角度，所以需要上篇中編碼器模塊的輸出，作為控制器的反饋,通過PID進行調節。

二、控制器框圖設計

在做設計之前，最好先將功能明確下來，然后繪制簡單的流程框圖，當然這里先將程序實現完了之后，再繪制的流程框圖￣□￣｜｜，框圖如下，主要由三大模塊組成(控制姿態就不包括在里面了)，角度、速度和PID模塊，下面將一一介紹各個模塊的具體細節。

三、PID模塊

PID的原理在之前的文章中有提到過，就不再繼續提起了，本次實現的方式方式和之前實現的方式一樣，將PID系數擴大100倍取整，然后相乘，將得到的結果再右移7位 加速 右移 9位，約等于除以了100。

四、速度控制器

速度控制器里面主要做期望速度的輸出和電機運動方向切換的控制。期望速度主要由外部輸入和方向切換來控制，如果說需要進行方向切換的話，為了保護電機，不能立馬進行電機的轉向，而要等待速度降低到安全速度后，再進行方向切換。

所以如果電機不需要轉向，那么期望速度就是外部設置的速度。

如果需要轉向的話，先將期望速度設置為0，待速度降低到安全速度后，例如5RPM，就切換方向 和 將期望速度設置為外部設置的速度。

module controller_Speed_loop(
  input        sys_clk_i        ,    //時鐘輸入
  input        sys_rst_n_i       ,    //復位輸入


  input        c_speed_loop_en_i    ,    //速度環使能信號


  input        motor_spin_dir_i    ,    //設置旋轉方向
  input[15:0]     motor_rpm_set_i     ,    //設置速度
  input        encoder_direction_i   ,    //電機實際的運動方向
  input[15:0]     encoder_speed_i     ,    //編碼器速度


  output reg     c_speed_loop_dir_o   ,    //速度環方向輸出
  output reg[15:0]  c_speed_loop_rmp_o       //速度環RPM輸出
);

五、角度控制器

控制過程和速度控制過程一樣，將當前角度值和期望角度值輸入角度PID進行計算，然后將計算后的結果輸入到速度PID進行計算，得到PWM的變化值。

這一控制回路是比較簡單的，如果說需要在角度旋轉的時候，還需要對速度進行控制的話，就會復雜一點點(串級)，等后面有需求了再進行實現。

六、小結

本次實現的控制器 和 上次實現的 編碼器，共同組成了一個簡單的電機控制器，可用于對電機的速度 和 角度進行控制。

top層的控制信號如下，在速度模式下，只需要設置rmp的值，電機就可以進行轉動，而在角度模式下，需要先設置旋轉的角度值，然后在使能角度旋轉，電機就會旋轉對應的角度后，停止。

//控制信號
  .motor_mode_set_i        (   motor_mode_set       ),    //設置電機模式 2'b00 = 速度模式  2'b01 = 角度模式
  .motor_spin_dir_i        (   motor_spin_dir       ),    //電機運動方向控制 1'b0 正向  1'b1 反向
  .motor_rpm_set_i         (   motor_rpm_set        ),    //設置電機轉速 RPM
  .motor_acc_set_i         (   motor_acc_set        ),    //設置電機加速度


  .motor_angle_en_i        (   motor_angle_en       ),    //角度旋轉使能
  .motor_angle_ack_o        (   motor_angle_ack       ),    //角度旋轉應答
  .motor_angle_set_i        (   motor_angle_set       ),    //設置電機旋轉角度

本文轉載自FPGA之旅

審核編輯：湯梓紅