FPGA FOC驱动编码器模块介绍

以下文章来源于FPGA之旅，作者电击小子

一. 简介

在使用有感FOC算法的时候，离不开使用编码器来获取电机角度，编码器的种类非常多，常见的有AS5600、AS5047P和MT6835等等，它们的驱动方式可以分为IIC、SPI、ABZ和HALL，其中最简单的就是ABZ方式了，因为它对于任意编码器来说，驱动方式都是一样的，只需要将脉冲对应的角度分辨率修改一下即可，而IIC和SPI则会根据不同的芯片，内部寄存器地址和位宽的不一样，驱动上会存在一些差异，针对这种驱动方式，如何能够在更换芯片后，对原工程的改动量最小，代码开发量最小，这正是本篇文章所要介绍的内容。

二. 编码器模块介绍

在多路FOC驱动板上，一共是支持了两种编码器和两种角度获取方式，分别是AS5047P和MT6835，SPI和ABZ。AS5047P的精度是14bit，MT6835的精度是21bit，它们的价格差不多，大家可以根据自己的需求进行选择，个人感觉精度越高的编码器调试起来越难(达到编码器精度所对应的效果)，不知道大家是否有同样的感觉。

整个编码器模块的结构如下图所示，输入端为ABZ、SPI的引脚信号，则为角度、速度等信息。ABZ模块、SPI驱动模块和角度..检测模块为固定模块，更换编码器后也不需要进行修改，而AS5047P_SPI模块和MT6835_SPI模块则需要根据外接编码器类型进行选择。

这样一来换新编码器的时候，只需要很小的开发工作就可以完成新编码器的驱动了。另外这三个角度获取模块通过generate条件编译控制，根据外部parameter参数即可选择对应的模块生效。

SPI驱动模块

SPI驱动模块的端口信号如下图所示，CPOL、CPHA控制SPI的模式，SCLK_DIV控制SPI的通信速率，DATA_WIDTH控制单次SPI通信的数据位宽，这样基本可以满足所有通过SPI的方式来获取角度的编码器了。

2. AS5047P_SPI模块

AS5047p读角度信息的过程可以通过数据手册来获取，一共需要发起两次的SPI传输，上一次发起的SPI回读数据会在下一次SPI传输时输出，过程如下图所示。

角度获取有两个寄存器可以读，分别是0x3FFF和0x3FFE，本次使用的是0x3FFF寄存器，然后NOP指令什么也不操作，最开始设计的时候也没有考虑那么多，直接先发送一个0x3FFF，然后发送一个NOP，这样就可以获取到角度信息了，刚开始用的时候，基本没有什么问题。

但是在后面继续用的时候，就出现了非常严重的bug，AS5047P会一直读到错误的数据，需要断电一下编码器才行。通过debug发现是回传数据的EF位拉高了，导致无法获取到正确的数据，而该状态信息是无法自行清除的，所以只要EF拉高了，在后续的通信过程中会一直拉高，导致角度获取异常。

通过数据手册可以看到，通过读ERRFL可以将错误状态信息给清除，那么我们可以将第二阶段的NOP指令换成ERRFL指令就可以了，这样即使在通信的过程中出现了问题，也会在下一次角度获取的时候，可以正常通信。

AS5047P的SPI精度为14bit，所以将获取到的原始数据转化为角度信息还需要将其乘上1440(扩大65536)即可。

3. MT6835_SPI模块

MT6835的角度获取过程会比AS5047P的先对而已简单许多，只需要一次SPI传输即可，传输过程如下图所示，在获取到数据之后，按照手册给的信息拼接成完整的角度。MT6835获取到的原始数据数据为21bit，将其转为角度需要乘上11.25即可。

4.角度、速度、位置检测模块

角度信息在输入进模块的时候就已经是角度了，直接将信息输入即可。

速度信息采用单位时间内角度变化量进行求解，单位时间的选择不宜过大也不宜过小，本设计采用的是100us，角度输入的单位是°，直接计算出来的话是°/s，速度一般采用RPM转每分钟作为衡量单位，因此需要进行单位的转换，转换过程如下图所示。

10000为100us的倒数。

speed_angle_gap_sum为角度间隔总和

0.000015为每一个speed_angle_gap_sum代表的角度值， 转换方式为 1/(360*65536)

最后将角度信息扩大100倍进行输出

位置控制由两个信号进行控制，一个是使能信号，当该信号使能后，模块才会累加角度间隔，避免在切换到位置控制的时候，目标角度和实际角度误差过大的问题。另外一个就是设置当前位置为初始位置，也就是将位置信息置零。

5. ABZ模块

略

三.小结

本次主要给大家介绍了一下FPGA FOC驱动编码器模块的所有内容，和设计过程。在后续新型号的编码器添加进来的话，可以以最小的代价完成这项工作。