使用FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)直流有刷電機(jī)控制器

一、簡介

本篇文章將介紹如何使用FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)直流有刷電機(jī)控制器，主要包括 速度控制 和 角度控制(好像在無刷電機(jī)控制中，習(xí)慣將其稱為環(huán)，即速度環(huán) 和 角度環(huán)(位置環(huán)))。因此這是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，需要得到系統(tǒng)的反饋，實(shí)時(shí)得到電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jìn)行調(diào)節(jié)。

二、控制器框圖設(shè)計(jì)

在做設(shè)計(jì)之前，最好先將功能明確下來，然后繪制簡單的流程框圖，當(dāng)然這里先將程序?qū)崿F(xiàn)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(tài)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(gè)模塊的具體細(xì)節(jié)。

三、PID模塊

PID的原理在之前的文章中有提到過，就不再繼續(xù)提起了，本次實(shí)現(xiàn)的方式方式和之前實(shí)現(xiàn)的方式一樣，將PID系數(shù)擴(kuò)大100倍取整，然后相乘，將得到的結(jié)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(jī)運(yùn)動(dòng)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(jìn)行方向切換的話，為了保護(hù)電機(jī)，不能立馬進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)向，而要等待速度降低到安全速度后，再進(jìn)行方向切換。

所以如果電機(jī)不需要轉(zhuǎn)向，那么期望速度就是外部設(shè)置的速度。

如果需要轉(zhuǎn)向的話，先將期望速度設(shè)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(shè)置為外部設(shè)置的速度。

module controller_Speed_loop(
  input        sys_clk_i        ,    //時(shí)鐘輸入
  input        sys_rst_n_i       ,    //復(fù)位輸入


  input        c_speed_loop_en_i    ,    //速度環(huán)使能信號


  input        motor_spin_dir_i    ,    //設(shè)置旋轉(zhuǎn)方向
  input[15:0]     motor_rpm_set_i     ,    //設(shè)置速度
  input        encoder_direction_i   ,    //電機(jī)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)方向
  input[15:0]     encoder_speed_i     ,    //編碼器速度


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

五、角度控制器

控制過程和速度控制過程一樣，將當(dāng)前角度值和期望角度值輸入角度PID進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算后的結(jié)果輸入到速度PID進(jìn)行計(jì)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(zhuǎn)的時(shí)候，還需要對速度進(jìn)行控制的話，就會復(fù)雜一點(diǎn)點(diǎn)(串級)，等后面有需求了再進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

六、小結(jié)

本次實(shí)現(xiàn)的控制器 和 上次實(shí)現(xiàn)的 編碼器，共同組成了一個(gè)簡單的電機(jī)控制器，可用于對電機(jī)的速度 和 角度進(jìn)行控制。

top層的控制信號如下，在速度模式下，只需要設(shè)置rmp的值，電機(jī)就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，而在角度模式下，需要先設(shè)置旋轉(zhuǎn)的角度值，然后在使能角度旋轉(zhuǎn)，電機(jī)就會旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的角度后，停止。

//控制信號
  .motor_mode_set_i        (   motor_mode_set       ),    //設(shè)置電機(jī)模式 2'b00 = 速度模式  2'b01 = 角度模式
  .motor_spin_dir_i        (   motor_spin_dir       ),    //電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向控制 1'b0 正向  1'b1 反向
  .motor_rpm_set_i         (   motor_rpm_set        ),    //設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速 RPM
  .motor_acc_set_i         (   motor_acc_set        ),    //設(shè)置電機(jī)加速度


  .motor_angle_en_i        (   motor_angle_en       ),    //角度旋轉(zhuǎn)使能
  .motor_angle_ack_o        (   motor_angle_ack       ),    //角度旋轉(zhuǎn)應(yīng)答
  .motor_angle_set_i        (   motor_angle_set       ),    //設(shè)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度

本文轉(zhuǎn)載自FPGA之旅

審核編輯：湯梓紅