以下文章來源于FPGA之旅，作者電擊小子

一. 簡(jiǎn)介

在使用有感FOC算法的時(shí)候，離不開使用編碼器來獲取電機(jī)角度，編碼器的種類非常多，常見的有AS5600、AS5047P和MT6835等等，它們的驅(qū)動(dòng)方式可以分為IIC、SPI、ABZ和HALL，其中最簡(jiǎn)單的就是ABZ方式了，因?yàn)樗鼘?duì)于任意編碼器來說，驅(qū)動(dòng)方式都是一樣的，只需要將脈沖對(duì)應(yīng)的角度分辨率修改一下即可，而IIC和SPI則會(huì)根據(jù)不同的芯片，內(nèi)部寄存器地址和位寬的不一樣，驅(qū)動(dòng)上會(huì)存在一些差異，針對(duì)這種驅(qū)動(dòng)方式，如何能夠在更換芯片后，對(duì)原工程的改動(dòng)量最小，代碼開發(fā)量最小，這正是本篇文章所要介紹的內(nèi)容。

二. 編碼器模塊介紹

在多路FOC驅(qū)動(dòng)板上，一共是支持了兩種編碼器和兩種角度獲取方式，分別是AS5047P和MT6835，SPI和ABZ。AS5047P的精度是14bit，MT6835的精度是21bit，它們的價(jià)格差不多，大家可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇，個(gè)人感覺精度越高的編碼器調(diào)試起來越難(達(dá)到編碼器精度所對(duì)應(yīng)的效果)，不知道大家是否有同樣的感覺。

整個(gè)編碼器模塊的結(jié)構(gòu)如下圖所示，輸入端為ABZ、SPI的引腳信號(hào)，則為角度、速度等信息。ABZ模塊、SPI驅(qū)動(dòng)模塊和角度..檢測(cè)模塊為固定模塊，更換編碼器后也不需要進(jìn)行修改，而AS5047P_SPI模塊和MT6835_SPI模塊則需要根據(jù)外接編碼器類型進(jìn)行選擇。

這樣一來換新編碼器的時(shí)候，只需要很小的開發(fā)工作就可以完成新編碼器的驅(qū)動(dòng)了。另外這三個(gè)角度獲取模塊通過generate條件編譯控制，根據(jù)外部parameter參數(shù)即可選擇對(duì)應(yīng)的模塊生效。

SPI驅(qū)動(dòng)模塊

SPI驅(qū)動(dòng)模塊的端口信號(hào)如下圖所示，CPOL、CPHA控制SPI的模式，SCLK_DIV控制SPI的通信速率，DATA_WIDTH控制單次SPI通信的數(shù)據(jù)位寬，這樣基本可以滿足所有通過SPI的方式來獲取角度的編碼器了。

2. AS5047P_SPI模塊

AS5047p讀角度信息的過程可以通過數(shù)據(jù)手冊(cè)來獲取，一共需要發(fā)起兩次的SPI傳輸，上一次發(fā)起的SPI回讀數(shù)據(jù)會(huì)在下一次SPI傳輸時(shí)輸出，過程如下圖所示。

角度獲取有兩個(gè)寄存器可以讀，分別是0x3FFF和0x3FFE，本次使用的是0x3FFF寄存器，然后NOP指令什么也不操作，最開始設(shè)計(jì)的時(shí)候也沒有考慮那么多，直接先發(fā)送一個(gè)0x3FFF，然后發(fā)送一個(gè)NOP，這樣就可以獲取到角度信息了，剛開始用的時(shí)候，基本沒有什么問題。

但是在后面繼續(xù)用的時(shí)候，就出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的bug，AS5047P會(huì)一直讀到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，需要斷電一下編碼器才行。通過debug發(fā)現(xiàn)是回傳數(shù)據(jù)的EF位拉高了，導(dǎo)致無法獲取到正確的數(shù)據(jù)，而該狀態(tài)信息是無法自行清除的，所以只要EF拉高了，在后續(xù)的通信過程中會(huì)一直拉高，導(dǎo)致角度獲取異常。

通過數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看到，通過讀ERRFL可以將錯(cuò)誤狀態(tài)信息給清除，那么我們可以將第二階段的NOP指令換成ERRFL指令就可以了，這樣即使在通信的過程中出現(xiàn)了問題，也會(huì)在下一次角度獲取的時(shí)候，可以正常通信。

AS5047P的SPI精度為14bit，所以將獲取到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為角度信息還需要將其乘上1440(擴(kuò)大65536)即可。

3. MT6835_SPI模塊

MT6835的角度獲取過程會(huì)比AS5047P的先對(duì)而已簡(jiǎn)單許多，只需要一次SPI傳輸即可，傳輸過程如下圖所示，在獲取到數(shù)據(jù)之后，按照手冊(cè)給的信息拼接成完整的角度。MT6835獲取到的原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)為21bit，將其轉(zhuǎn)為角度需要乘上11.25即可。

4.角度、速度、位置檢測(cè)模塊

角度信息在輸入進(jìn)模塊的時(shí)候就已經(jīng)是角度了，直接將信息輸入即可。

速度信息采用單位時(shí)間內(nèi)角度變化量進(jìn)行求解，單位時(shí)間的選擇不宜過大也不宜過小，本設(shè)計(jì)采用的是100us，角度輸入的單位是°，直接計(jì)算出來的話是°/s，速度一般采用RPM轉(zhuǎn)每分鐘作為衡量單位，因此需要進(jìn)行單位的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程如下圖所示。

10000為100us的倒數(shù)。

speed_angle_gap_sum為角度間隔總和

0.000015為每一個(gè)speed_angle_gap_sum代表的角度值， 轉(zhuǎn)換方式為 1/(360*65536)

最后將角度信息擴(kuò)大100倍進(jìn)行輸出

位置控制由兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行控制，一個(gè)是使能信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)使能后，模塊才會(huì)累加角度間隔，避免在切換到位置控制的時(shí)候，目標(biāo)角度和實(shí)際角度誤差過大的問題。另外一個(gè)就是設(shè)置當(dāng)前位置為初始位置，也就是將位置信息置零。

5. ABZ模塊

略

三.小結(jié)

本次主要給大家介紹了一下FPGA FOC驅(qū)動(dòng)編碼器模塊的所有內(nèi)容，和設(shè)計(jì)過程。在后續(xù)新型號(hào)的編碼器添加進(jìn)來的話，可以以最小的代價(jià)完成這項(xiàng)工作。