FPGA实现电机霍尔编码器模块

一. 简介

想要知道直流电机的转速，就需要用到编码器，常用的编码器有霍尔和光电两种，但是光电编码器比较贵(性能好于霍尔)，所以平常的时候使用最多的是霍尔编码器了。

霍尔编码器一般有AB两相信号输出，默认的时候为低电平，当电机转动的时候，AB两相会输出具有一定相位差的脉冲，根据相位差可以确定电机旋转的方向，另外根据单位时间内，脉冲的数量可以确定电机的转速（线数X(编码器参数)：电机旋转一圈产生的脉冲数，减速电机有一个减速比Y(Y越大，扭矩越大，负载转速越小),也就是说负载(一般为轮胎)旋转一圈所产生的脉冲数为: X * Y）。AB输出的脉冲波形如下

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编码器的使用方法如上，非常简单，下面就用FPGA来写一个编码器模块吧！

二. 编码器模块架构

首先，需要明确一下，编码器模块需要实现那些功能，经过简单的思考，可以确定要实现的功能如下，其中加速度不是必须的。
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功能确定了之后，就可以简单设计一下框图如下，根据框图可以很清晰来编写各个模块了。

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三.定时器模块

定时器模块的功能非常简单。就是每隔一段时间产生一个触发信号，用来清除脉冲计数和计算一次速度与加速度。我这里是设置的5ms触发一次，具体多少时间触发一次合适，可以根据实际的测试效果而定。

四. 编码器脉冲检测模块

该模块的主要功能是用来检测AB两相的脉冲并且判断脉冲的方向。一共有两种方法来检测：

单边沿检测 : 检测AB某一相的A沿，然后判断另外一相的电平。例如检测A相的上升沿为有效脉冲，然后判断B相的电平为电机旋转方向。该方法非常简单，但是抗干扰能力并没有那么强，容易误判。
四边沿检测 : 依次检测每一个边沿，如果四个边沿均满足要求，则该脉冲为有效脉冲，否则为无效脉冲。该方法抗干扰能力比较强，但逻辑上稍微有点点复杂相较于第一种方法来说。

两种方法的实现，对于FPGA来说，不是什么难事，第一种就不提了；第二种方法的话，一个状态机就可以了，在对应的状态里面检测一相的边沿信号和另外一相的电平，两相都满足的话，就跳到下一个状态，四个状态均满足的话，则输出一个有效电平，否则的话，均回到初始状态。本次使用的是一段式状态机，代码片段如下(两个状态)。

always@(posedge sys_clk_i or negedge sys_rst_n_i) beginif( sys_rst_n_i == 1'b0 ) beginstep <= 6'b00_0000;encoder_AB_detect_dir_reg <= 1'b0;endelse begincase (step)6'b00_0000: begin                 //处理第一个边沿if( (encoder_A_posedge  | encoder_B_posedge) && encoder_AB_detect_en_i == 1'b1)  step <= 6'b00_0001;elsestep <= step;end6'b00_0001: begin  //处理第二个边沿if( encoder_A_posedge == 1'b1)if( encoder_B_d0 == 1'b1) beginstep <= 6'b00_0100;encoder_AB_detect_dir_reg <= 1'b0; //在第二个边沿的时候，确定旋转方向endelsestep <= 6'b00_0000;else if( encoder_B_posedge == 1'b1)if( encoder_A_d0 == 1'b1) beginstep <= 6'b00_0010;encoder_AB_detect_dir_reg <= 1'b1; //在第二个边沿的时候，确定旋转方向endelsestep <= 6'b00_0000;else if( encoder_A_negedge | encoder_B_negedge)   //检测到下降沿 表示错误 step <= 6'b00_0000;else  step <= step;  //需进行超时处理end

然后模块的信号如下，

module encoder_AB_detect(input              sys_clk_i                ,input              sys_rst_n_i              ,input              encoder_AB_detect_en_i   ,       //编码器检测使能output             encoder_AB_detect_valid_o,       //编码器检测有效输出output             encoder_AB_detect_dir_o  ,       //编码器检测方向输出//硬件编码器输入input              motor_encoder_A_i        ,      //编码器A相输入input              motor_encoder_B_i               //编码器B相输入
);

五. 脉冲计数模块

计算脉冲数，由于电机在朝一个方向转动的时候，可能会由于不确定因数的影响，产生另外一个方向的脉冲，所以在计算的时候需要对其进行处理。

分别计数两个方向的脉冲数，以脉冲数多的方向为当前方向，多的脉冲数减去少的脉冲数为当前方向的脉冲数。

assign encoder_Phase_count_dir_o = ( encoder_Phase_Cnt_dir0 > encoder_Phase_Cnt_dir1 ) ? 1'b0 : 1'b1;
assign encoder_Phase_count_o     = ( encoder_Phase_Cnt_dir0 > encoder_Phase_Cnt_dir1 ) ? (encoder_Phase_Cnt_dir0 - encoder_Phase_Cnt_dir1): (encoder_Phase_Cnt_dir1 - encoder_Phase_Cnt_dir0);//编码器脉冲计数
always@(posedge sys_clk_i or negedge sys_rst_n_i) beginif( sys_rst_n_i == 1'b0) beginencoder_Phase_Cnt_dir0 <= 16'd0;encoder_Phase_Cnt_dir1 <= 16'd0;endelse if( encoder_Phase_count_clear_i == 1'b1 ) begin  //定时器输入，重新开始计数encoder_Phase_Cnt_dir0 <= 16'd0;encoder_Phase_Cnt_dir1 <= 16'd0;endelse if( encoder_AB_detect_valid_i == 1'b1 )  //对两个方向的脉冲分别计数if( encoder_AB_detect_dir_i == 1'b0 ) beginencoder_Phase_Cnt_dir0 <= encoder_Phase_Cnt_dir0 + 1'b1;encoder_Phase_Cnt_dir1 <= encoder_Phase_Cnt_dir1;endelse beginencoder_Phase_Cnt_dir0 <= encoder_Phase_Cnt_dir0;encoder_Phase_Cnt_dir1 <= encoder_Phase_Cnt_dir1 + 1'b1;   endelse beginencoder_Phase_Cnt_dir0 <= encoder_Phase_Cnt_dir0;encoder_Phase_Cnt_dir1 <= encoder_Phase_Cnt_dir1;end
end

六. 速度与加速度检测模块

当定时器信号输入时，根据脉冲计数模块输入的脉冲数来计算。速度的单位为圈数/分钟，而检测周期为5ms，所以RPM = 圈数 *( 1分钟 / 5ms )，然后这里使用的编码器为500线，电机的减速比为20，所以一圈对应的编码器脉冲数为500 * 20 = 10000 ，所以最终RPM = ( 脉冲数 / 10000) * ( 1分钟 / 5ms) = 1.2 * 脉冲数。为了便于计算将RMP扩大10倍，即 RPM = 12 * 脉冲数 = ( 8 + 4) * 脉冲数。将脉冲数左移3位加速脉冲数左移2位即可。

加速度就更加简单了，只需要将当前速度减去上一时刻的速度即可,加速度有方向，还需要判断一下加速度方向。

assign encoder_speed = ( encoder_Phase_count_i << 3 ) + ( encoder_Phase_count_i << 2 );
always@( posedge sys_clk_i or negedge sys_rst_n_i ) beginif( sys_rst_n_i == 1'b0 ) beginencoder_speed_d0 <= 16'd0;encoder_speed_o  <= 16'd0;encoder_acc_o    <= 16'd0;encoder_acc_dir_o<= 1'b0;endelse if( cal_en_i == 1'b1 ) beginencoder_speed_d0 <= encoder_speed_o;encoder_speed_o  <= encoder_speed;encoder_acc_o    <= (encoder_speed > encoder_speed_d0) ? encoder_speed - encoder_speed_d0 : encoder_speed_d0 - encoder_speed;encoder_acc_dir_o<= (encoder_speed > encoder_speed_d0) ? 1'b1 : 1'b0;endelse beginencoder_speed_d0 <= encoder_speed_d0;encoder_speed_o  <= encoder_speed_o;encoder_acc_o    <= encoder_acc_o;encoder_acc_dir_o<= encoder_acc_dir_o;end
end

七. 角度检测模块

当需要旋转对应角度的时候，就需要对其旋转角度进行检测。旋转一圈，对应的脉冲数为10000，所以每个脉冲数对应的角度为0.036°，为了便于计算，这里将角度扩大10倍，每个脉冲数对应的角度就变成了0.36°，每5个脉冲数对应的角度就变成了1.8°，这样以5个脉冲数为一个脉冲单位，所以每一个脉冲单位角度就变化了1°，先不管0.8°，而0.8 * 5 = 4°，所以每5个脉冲单位角度就变化了4°，这样就非常方便计算了，当是会有一定的误差，最大误差角度约为: 3.2° + 1° = 4.2°，即实际误差角度为0.42°，还是可以接受的。

always@(posedge sys_clk_i or negedge sys_rst_n_i ) beginif( sys_rst_n_i == 1'b0 )encoder_num_angle_o <= 20'd0;else if( encoder_accumulate_clr_i == 1'b1)encoder_num_angle_o <= 20'd0;else if( encoder_accumulate_en_i == 1'b1 && encoder_AB_detect_valid_i == 1'b1 )if( encoder_AB_Angle_Cnt1 == 'd4 )encoder_num_angle_o <= encoder_num_angle_o + 'd4 + 'd1;else if( encoder_AB_Angle_Cnt == 'd4)encoder_num_angle_o <= encoder_num_angle_o + 1'b1;else    encoder_num_angle_o <= encoder_num_angle_o;elseencoder_num_angle_o <= encoder_num_angle_o;
end