前言

最近在做一个使用FPGA和增量式编码器实时检测转子位置的小课题，第一次完成从硬件到软件的设计以及软硬件的联调，想做一个总结，鼓起勇气开始自己的第一次发帖。并且，在做这个课题的过程中，发现相关资料比较少，所以希望能够贡献一些自己的力量吧~如有错误还请大家批评指正！

一、原理介绍

增量式编码器与电机转子同轴安装，当电机旋转时，编码器会输出三路信号ABZ。A相信号和B相信号相位相差90°，根据两者的超前滞后关系，可以判断出电机的转动方向。Z相信号为零位信号，电机每转到该位置时会输出一个零位脉冲，可以用该位置作为参考位置来标定转子的实时位置。

本次实验使用的编码器的输出是三对差分信号A+、A-、B+、B- 、Z+、Z-，这三对信号需要经过差分处理电路，可以得到真实的三对差分信号（否则输出的是虚电），可以发现A+与A-、B+与B-、Z+与Z-都是严格的反相关系。再经过一个差分处理芯片可以输出三路信号，这样就可以给FPGA进行处理了。

二、硬件调试

为了实现差分处理，我绘制了一个简单的PCB板（也是我的第一块PCB板，非常激动）。主要设计思路是：将三对差分信号经过终端匹配电阻->滤波->上拉，之后进行差分处理芯片。一般情况下，使用较多的是AM26LS32，但是这款芯片的供电是5V，因此输出高电平也是5V，如果要给FPGA或者DSP处理的话得转换成3.3V，所以一般后面再接一个5V转3.3V的芯片，我个人觉得有些麻烦，在想：有没有可以直接3.3V供电，直接省去那个5V-3.3V的芯片。于是，在TI官网找了找，发现了一款符合条件的芯片，AM26LV32。看到数据手册第一页这句话直呼牛逼。

但是尽管如此，说实话还是不太放心，毕竟没有用过，在网上这部分的资料也比较少，直到焊完板子调试通过后才觉得没有问题。也算给大家探路了哈哈。（硬件调试也遇到了一些问题，但是这些问题与芯片无关，大家应该不会碰到）

然后分别顺时针和逆时针转动电机用示波器观察编码器的输出波形，保存了下来，A相和B相信号与之前在网上看到的基本一致，但是网上几乎没有看到关于Z相信号的图像，这次特地截了两张，大家可以看一下，可以根据它的脉宽来写testbench便于仿真。（CH1为A相脉冲，CH2为B相脉冲，CH3为Z相信号）

三、位置检测原理

假设规定角度沿着顺时针方向增加，从0°增加到360°，不论转动方向是什么，角度都是这样变化。0°就是图中箭头位置（对应编码器的零位信号）。则电机转子的实时位置计算公式如下：

其中：FPGA每检测到A相信号的一个下降沿，则K会加一；当K=2500（编码器的线数，转过一圈A相和B相都会产生2500个脉冲，本文以A相为准）时或检测到Z相信号时会自动清零。

其中：K+1是因为K是从0开始增加，如果K=2的时候实际上已经走了三个脉冲了。

【注】在实际应用中，可以使用二倍频或四倍频来提高精度。我最终使用的是二倍频，在A相信号的上升沿和下降沿都进行检测和计数为了避免累计误差。

四、程序设计

根据以上算法介绍，最重要的其实就是两个步骤：①如何判断转动方向②如何将脉冲数准确；

第一个问题，如何根据编码器的脉冲判断电机的转动方向。目前比较常见的方法：使用DSP或者STM32，检测到A相信号的下降沿时触发中断，检测此时的B相信号的电平高低，如果电平为低，则为正转；如果为高，则为反转（正反转方向每个人的定义不同，不影响，只要根据自己的需要定义就行）。针对FPGA而言，则可以检测A相信号的下降沿，将其下降沿作为触发信号，检测此时B相信号的电平高低。（这一块可以参考大佬们写的基于FPGA的边沿检测算法，有很多本质上的讲解，很佩服！感谢各位大佬！）

always @(posedge clk)
begin
phase_a_t0 <= phase_a;
phase_a_t1 <= phase_a_t0;
endassign A_down = (~phase_a_t0)&&(phase_a_t1);//检测A相信号的下降沿

仿真中发现：这个信号的脉宽是一个时钟周期。因此，可以用它的上升沿来作为触发条件来判断方向或计数。

第二个问题的解决方案其实已经在上面说差不多了，如果为了提高精度，可以在A相信号的上升沿和下降沿都进行检测以及可以避免A相信号的下降沿和Z相信号上升沿重合（用A相信号的下降沿作为触发条件去检测Z相信号的高低，重合时检测不到，这也是我使用二倍频的原因），没有检测到从而不能及时清零的问题。

五、实际运算

判断好方向和数好脉冲个数后，就得根据上面的算法计算了，可是这时候发现FPGA不擅长计算乘除法和浮点数，于是将数据通过XINTF传输给DSP让它来计算（因为用的是DSP+FPGA架构的控制板，而且计算出的位置也是为了给DSP去算别的东西，所以与其让FPGA复杂的算完传过去不如直接让DSP算）。

六、总结

1、第一次发帖，对于排版、图片等很多东西不是很懂，如有问题还请大家谅解；

2、本文如果有表述上的问题、原理上的问题等，还请大家批评指正，非常乐意和大家一起交流学习、共同进步；

3、这是我的第一篇blog，希望不是最后一篇哈哈~，谢谢大家看到这里~

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