FPGA实现电机位置环、速度环双闭环PID控制

一、设计思路

        主要设计思路就是根据之前写的一篇FPGA实现电机转速PID控制，前面已经实现了位置环的控制，思想就是通过电机编码器的当前位置值不断地修正PID去控制速度。

        那为了更好的实现控制，可以在位置环后加上速度环，实现电机位置环、速度环双闭环PID控制。

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        位置环作为外环，通过编码器计数通过PID输出速度；位置环输出的速度作为目标速度输入速度环，与编码器测速的当前速度进行PID计算，从而完成电机的双PID控制。

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二、位置环控制

位置环的控制在前面已经实现，再次不再赘述。

三、速度环控制

        速度环作为内环，目标值为位置环输出的速度，当前值为编码器测速的速度。        

        这里就有了一个问题，编码器怎么样才能测到电机速度？

        这就和电机的最大频率有关，编码器通过AB相位的波形去进行计数和正反转的判断，那么就需要知道电机转一圈所输出的脉冲个数以及空载最大转速，通过这两个参数计算出编码器的电机最大频率，即每秒会有多少个脉冲。因此要对时钟进行分频，这是对50MHZ时钟分频成100HZ，即时钟周期10ms进行一次PID输出。

always @(posedge clk or negedge reset_n) begin
   if (~reset_n) begin
      clk100 <= 1'b0;
      clk_counter <= 32'd0;
   end else if (clk_counter == 32'd249999)begin
      //分频系数M=时钟输入频率/时钟输出频率，偶分频计数器值N=M/2；奇分频计数器值N=M-1/2
      clk100 <= ~clk100;
      clk_counter <= 32'd0;
   end else begin
      clk_counter <= clk_counter + 1;
   end
end

速度环的PID计算同位置环一样

always @(posedge clk100 or negedge reset_n) begin
   if (~reset_n) begin
      error      <= 0;
      integral   <= 0;
      prev_error <= 0;
      derivative <= 0;
      pidoutput  <= 0;
   end else begin

      //target位置环输出的速度，current当前编码器值
      error <= target - current;

      // 将累积误差控制合理范围内
      integral <= integral + error;
      if(integral >= $signed(32'd500)) begin
         integral <= $signed(32'd500);
      end else if(integral <= $signed(-32'd500M)) begin
         integral <= $signed(-32'd500);
      end else begin
         integral <= integral;
      end

      derivative <= error - prev_error;

      // 计算PID输出
      p <= error * kp;
      i <= integral * ki;
      d <= derivative * kd;
      pidoutput <= (p + i + d) / 1000;
      
   end
end

四、编码器测速

        编码器模块也需要加入测速代码，有两种测速方法：一种是两次位置值相减，得出电机速度；另一种是编码器计数，得出电机速度。

        这里用第二种编码器计数，在速度环中每10ms输出一次PID值，那么在测速模块就每10ms将速度编码器置零重新计数，因此可以根据速度环传入的清零信号clear进行清零，即clk100。当clk100状态发生变化时，clear信号为1，清零速度计数。

always@(posedge clk or negedge reset_n) begin
	if(!reset_n) begin
		delay0 <= 1'b0;
		delay1 <= 1'b0;		
	end else begin
		delay0 <= clk100;
		delay1 <= delay0;
	end
end
assign clear  = (delay0 & (~delay1));

always @(posedge clk or negedge reset_n) begin
	if (~reset_n) begin
		counter <= 0;
	end
	else if (clear) begin
		counter <= 0;
	end 
	else if(pulse) begin
		if(direction) begin
			if(counter < $signed(32'h8000))
				counter <= counter + 1;
		end 
		else if(!direction) begin
			if(counter > $signed(-32'h8000))
				counter <= counter - 1;
		end 
		else begin
			counter <= 0;     
		end   
	end
end

五、整体结构

 整体的RTL图如图所示。