一.簡介

哈嘍，大家好，從今天開始正式帶領大家從零到一，在FPGA平臺上實現FOC算法，整個算法的框架如下圖所示，如果大家對算法的原理不是特別清楚的話，可以先去百度上學習一下，本教程著重介紹實現過程，弱化原理的介紹。那么本文將從PWM模塊開始進入FOC算法中去。

二. PWM模塊設計

我們知道有些驅動芯片是需要輸入互補的PWM，例如FD6288，而有些驅動芯片則只需要輸入PWM，芯片內部會自動將其轉為互補的PWM進行工作，例如DRV8313和MP6540。單路FOC開發板使用的是MP6540，多路電機驅動板使用的是FD6288，因此設計的PWM模塊需要兼容這兩種模式。

1. 模塊端口信號

模塊端口信號如下所示，命名和工作模式借鑒了STM32定時器的工作方式。

moduletimer_top #(
 parameter   DEFAULT_ARR  =16'd1500 , //5000
  parameter    DEFAULT_CCR   = 16'd750  , //2500
 parameter   COUNT_MODE   ="UP"   , //UP DOWN CENTRE
 parameter   TRIG_ENABLE  ="ENABLE" , //ENABLE DISABLE
 parameter   PWM_OUT    ="NONE"  , //NONEP PN
 parameter   PWM_OUT_MODE  ="MODE1"  , //MODE1 MODE2
 parameter   PWM_DEATH_TIME =3'd0     // 0 ~ 10 sys_clk
)(
  input      sys_clk_i      , 
  input      sys_rst_n_i     ,


  input      pwm_clk_200M_i   ,


  input      timer_wr_type_i   ,
  input      timer_write_en_i  ,
  input[15:0]   timer_write_data_i ,
  input      timer_read_en_i   ,
  output[15:0]  timer_read_data_o  ,


  output     timer_trig_o    ,
  output     timer_pwm_o     ,
  output reg   timer_pwm_n_o   
);

首先給大家介紹一下端口參數

DEFAULT_ARR： 默認的定時器計數周期。

DEFAULT_CCR: 默認的定時器比較輸出值。

COUNT_MODE： 定時器工作模式，分為向上計數、向下計數和中心計數三種模式，這是和STM32的三種模式保持一致。

TRIG_ENABLE：中斷輸出是否使能，當計數器計數到CCR寄存器值的時候，是否輸出一個中斷信號。

PWM_OUT: PWM輸出，分為三種模式，其一是不輸出，其二是只輸出一路PWM，其三是輸出互補兩路PWM。

PWM_OUT_MODEL: PWM輸出的模式，也就是但計數器小于CCR的時候，是輸出高電平，還是輸出低電平。

PWM_DEATH_TIME: 死區時間，最大為10個時鐘周期，也就是50ns，加上芯片內部基本上都內置了死區補償，這個時間是夠用了的。

然后就是端口信號

sys_clk_i，sys_rst_n_i: 100Mhz系統時鐘和系統復位

pwm_clk_200M_i: PWM輸出的參考時鐘，為200Mhz，這個時鐘頻率越高，PWM的分辨率也就越高。

timer_trig_o: 中斷信號輸出

timer_pwm_o，timer_pwm_n_o： PWM信號輸出

其他：動態調整定時器的計數周期ARR和比較值CCR，從而可以調整PWM的頻率和占空比，實際使用的過程中，只會調整占空比。

2. 設計細節

PWM模塊設計原理比較簡單，其中有兩點需要注意一下，這兩點中好了 ，設計起來就毫無壓力~。

1. 跨時鐘同步: 定時器時鐘頻率為200Mhz，而系統時鐘頻率為100Mhz，模塊只會涉及到中斷信號的同步，定時器時鐘域同步到系統時鐘域下，快時鐘域同步到慢時鐘域下，也是同步場景中最為常見的一種，這里直接將脈沖信號作為使能信號，對另外一個信號進行取反，然后檢查其邊沿即可實現同步。

always@( posedge pwm_clk_200M_i or negedge sys_rst_n_i )begin
 if( sys_rst_n_i ==1'b0 )
    timer_trig_pluse <= 1'b0;
? ??elseif( TRIG_ENABLE ==?"ENABLE"?&& CNT == CCR_SHADOW )
? ? ? ? timer_trig_pluse <= ~timer_trig_pluse;
? ??else
? ? ? ? timer_trig_pluse <= timer_trig_pluse;
end
always@( posedge sys_clk_i or negedge sys_rst_n_i )?begin
? ??if( sys_rst_n_i ==?1'b0 ) begin
? ? ? ? timer_trig_pluse_d0 <= 1'b0;
? ? ? ? timer_trig_pluse_d1 <=?1'b0;
? ? end
? ? else begin
? ? ? ? timer_trig_pluse_d0 <= timer_trig_pluse;
? ? ? ? timer_trig_pluse_d1 <= timer_trig_pluse_d0;
? ? end
end

1.互補PWM輸出死區控制：死區控制的目的是為了防止短時間內兩路PWM輸出同時為高的情況發生，從而導致上下臂同時導通，了解了這個之后，就只需要將互補PWM輸出信號中，輸出為高電平的那個信號提前拉低即可，在實現的過程中要結合配置的定時器模式進行輸出，會涉及到多重判斷的情況，如下圖所示，大家可以通過多級判斷，去優化這部分時序。

最后給大家展示一下仿真結果

來源：本文轉載自FPGA之旅公眾號