通過USB使用ESC和FPGA控制BLDC電機(jī)的速度

描述

DShot 協(xié)議

在 DShot 之前，飛控更新速度比標(biāo)準(zhǔn) PWM 速率更快，這會(huì)導(dǎo)致性能和調(diào)整問題。開發(fā)了更快的模擬 PWM，即 OneShot125 和其他幾個(gè)。對(duì)于基于 PWM 的協(xié)議，接收器必須測量脈沖以確定速度，很少有發(fā)射器和接收器具有相似的時(shí)鐘精度，因此可能存在一些差異，因此飛行控制器軟件包括一個(gè)校準(zhǔn)步驟來找到最大值和最小值。

DShot 是數(shù)字的，速度與遙測請(qǐng)求和校驗(yàn)和一起被編碼為“數(shù)據(jù)包”，因此無需校準(zhǔn)。DSHOT 支持多種速度 150、130、600 和 12000。因此，數(shù)字越大，數(shù)據(jù)包比特率越快，因此數(shù)據(jù)包發(fā)送到 ESC（電子速度控制器）的速度越快

這是一個(gè)基本的 DSHOT 數(shù)據(jù)包：

?

數(shù)據(jù)包流從左到右發(fā)送，因此首先發(fā)送速度位 10，然后發(fā)送速度位 9，依此類推。那么，邏輯 1 和邏輯 0 是如何編碼的？寬度決定值是 1 還是 0，寬度越長，值為 1。對(duì)于 DSHOT150，下表是：

DSHOT 150 單個(gè)比特周期：6.67us 高電平時(shí)間（1）：5.000us 高電平時(shí)間（0）：2.500us

DSHOT 300 單個(gè)比特周期：3.33us 高電平時(shí)間（1）：2.500us 高電平時(shí)間（0）：1.250us

DSHOT 600 單個(gè)比特周期：1.67us 高電平時(shí)間（1）：1.250us 高電平時(shí)間（0）：0.620us

DSHOT1200 單個(gè)比特周期：0.83us 高電平時(shí)間（1）：0.025us 高電平時(shí)間（0）：0.313us

PC 應(yīng)用程序?qū)⒏袷交?16 位，代碼位于 HTML nwjs 應(yīng)用程序中。

使用 FPGA 的 DSHOT 150

對(duì)于本項(xiàng)目，不支持接收遙測信息，僅以 150 速率傳輸 DSHOT 16 位值。FPGA 的職責(zé)是以編程的時(shí)鐘速率將 16 位值發(fā)送到 ESC，該值將由 PC 軟件編碼，這簡化了 FPGA 邏輯。

該項(xiàng)目利用了使用 FPGA 項(xiàng)目解碼 PWM。

DSHOT150 在 ip/DSHOT/dshot_out.v 中實(shí)現(xiàn)：

`default_nettype none
`timescale 1 ns / 1 ns

module dhot_output #(
		parameter update_guardtime = 1000000, //1 second 
		parameter clockFrequency = 50000000
	) (
		input  wire        i_clk,          //       clock.clk
		input  wire        i_reset,        //       reset.reset
		input  wire [15:0] i_dshot_value,
		input  wire        i_write,       //            .write
		output wire	       o_pwm
	);
	


/* state machine state of single bit */
localparam [3:0] INIT_TIME  = 4'h0,
 		HIGH_TIME   = 4'h1,
     	 	LOW_TIME    = 4'h2,
                IDLE_	    = 4'h3;
		
/* DSHOT Bit time:              (1 - TH1)   (0-T0H)
DSHOT 150 Bit time is 6.67us    5.00us      2.50us
DSHOT 300 Bit time is 3.33us    2.50us      1.25us
DSHOT 600 Bit time is 1.67us    1.25us      0.625us
DSHOT1200 Bit time is 0.83us    0.025       0.313us
*/

/* For DSHOT150 clk is 50Mhz so 0-T0H is  2.50 * 50 = 125
                                0-Off is (6.67 - 2.50us) * 50 = 208.9
*/                                
                                
localparam [15:0] LOW_HIGH_TIME = 125;
localparam [15:0] LOW_LOW_TIME = 209;

/* For DSHOT150 clk is 50Mhz so 0-T1H is  5.00 * 50 = 250
                                0-Off is (6.67 - 5.00us) * 50 = 83.5
*/

localparam [15:0] HIGH_HIGH_TIME = 250;
localparam [15:0] HIGH_LOW_TIME = 84;

Avalon 從接口

要訪問 DSHOT 150，需要?jiǎng)?chuàng)建 Avalon 從站，就像之前創(chuàng)建從站內(nèi)存映射接口一樣，然后拖放到系統(tǒng)內(nèi)容并重新映射內(nèi)存地址。我已經(jīng)包括了一個(gè)額外的 ESC 電機(jī)控制器 PWM。兩者如下圖所示：

阿瓦隆巴士

?

這是新的內(nèi)存映射：

?

頂層

更新了 fast_serial.v 以將電機(jī)的輸出映射到 FPGA 的引腳 D2、D3、D4 和 D5。目前，Avalon 總線不支持將輸出重新映射為 PWM 或 DSHOT。以下代碼經(jīng)過多路復(fù)用器硬編碼，可根據(jù)本地參數(shù) MOTOR_CONTROL 將 DSHOT 或 PWM 映射為輸出。

assign D5 = (MOTOR_CONTROL)?dshot_out_1:pwm_out_1;
assign D4 = (MOTOR_CONTROL)?dshot_out_2:pwm_out_2;
assign D3 = (MOTOR_CONTROL)?dshot_out_3:pwm_out_3;
assign D2 = (MOTOR_CONTROL)?dshot_out_4:pwm_out_4;

要啟用 DSHOT150 或 OnseShot 125，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè) Avalon 內(nèi)存映射地址來選擇 ether DSHOT 或 PWM，然后驅(qū)動(dòng)多路復(fù)用器。也可以使用相同的方法支持串行和遙測，但使用 inout。

這是新的 nwjs 應(yīng)用程序的屏幕截圖，電機(jī)可以由通道 0 驅(qū)動(dòng)，也可以通過電機(jī)滑塊驅(qū)動(dòng)。建議拆下螺旋槳，將電機(jī)牢固地用螺栓固定在厚板上。

?

Enable Motor 按鈕打開 DSHOT 生成，因此，ESC 會(huì)發(fā)出幾聲嗶嗶聲，通知用戶電機(jī)已“武裝”。增加滑塊將增加速度。此外，LED 滑塊還允許更新 LED。打開發(fā)射器，所有控件都處于活動(dòng)狀態(tài)。

串行端口接口從 FTDI 芯片接收數(shù)據(jù)很慢，因?yàn)轵?qū)動(dòng)程序在傳輸時(shí)有緩沖，在 Linux 上降低它：

setserial /dev/ low_latency

另一種方法是libftdi，有一個(gè)API來設(shè)置latency_timer，ftdi_set_latency_timer，我做了一個(gè)簡單的修改，允許值為0。由于從FPGA到FTDI的傳輸數(shù)據(jù)是25Mhz，所以Avalon數(shù)據(jù)包作為一個(gè)USB到達(dá)數(shù)據(jù)包，但以微幀速率。