FPGA实现电机霍尔编码器模块

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

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！

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。

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。

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。

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：

1. 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。
2. 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) begin
    if( sys_rst_n_i == 1'b0 ) begin
        step <= 6'b00_0000;
        encoder_AB_detect_dir_reg <= 1'b0;
    end
    else begin
        case (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;
            else
                step <= step;
        end
        6'b00_0001: begin  //处理第二个边沿
            if( encoder_A_posedge == 1'b1)
                if( encoder_B_d0 == 1'b1) begin
                    step <= 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
                end
                else
                    step <= 6'b00_0000;
            else if( encoder_B_posedge == 1'b1)
                if( encoder_A_d0 == 1'b1) begin
                    step <= 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
                end
                else
                    step <= 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
);

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) begin
    if( sys_rst_n_i == 1'b0) begin
        encoder_Phase_Cnt_dir0 <= 16'd0;
        encoder_Phase_Cnt_dir1 <= 16'd0;
    end
    else 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;
    end
    else 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 ) begin
            encoder_Phase_Cnt_dir0 <= encoder_Phase_Cnt_dir0 + 1'b1;
            encoder_Phase_Cnt_dir1 <= encoder_Phase_Cnt_dir1;
        end
        else begin
            encoder_Phase_Cnt_dir0 <= encoder_Phase_Cnt_dir0;
            encoder_Phase_Cnt_dir1 <= encoder_Phase_Cnt_dir1 + 1'b1;   
        end
    else begin
        encoder_Phase_Cnt_dir0 <= encoder_Phase_Cnt_dir0;
        encoder_Phase_Cnt_dir1 <= encoder_Phase_Cnt_dir1;
    end
end

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 ) begin
    if( sys_rst_n_i == 1'b0 ) begin
        encoder_speed_d0 <= 16'd0;
        encoder_speed_o  <= 16'd0;
        encoder_acc_o    <= 16'd0;
        encoder_acc_dir_o<= 1'b0;
    end
    else if( cal_en_i == 1'b1 ) begin
        encoder_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;
    end
    else begin
        encoder_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

现在一个简单的编码器模块，就写完啦，算是一个基础版本吧，后面会根据需求进行完善。

需要完整模块文件  获取