FPGA从零到一实现FOC(一)之PWM模块设计

一.简介

哈喽，大家好，从今天开始正式带领大家从零到一，在FPGA平台上实现FOC算法，整个算法的框架如下图所示，如果大家对算法的原理不是特别清楚的话，可以先去百度上学习一下，本教程着重介绍实现过程，弱化原理的介绍。那么本文将从PWM模块开始进入FOC算法中去。

配套硬件链接

二. PWM模块设计

我们知道有些驱动芯片是需要输入互补的PWM，例如FD6288，而有些驱动芯片则只需要输入PWM，芯片内部会自动将其转为互补的PWM进行工作，例如DRV8313和MP6540。单路FOC开发板使用的是MP6540，多路电机驱动板使用的是FD6288，因此设计的PWM模块需要兼容这两种模式。

1. 模块端口信号

模块端口信号如下所示，命名和工作模式借鉴了STM32定时器的工作方式。

c 复制代码

module timer_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"    ,  // NONE P 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       
);

首先给大家介绍一下端口参数

DEFAULT_ARR：默认的定时器计数周期。
DEFAULT_CCR: 默认的定时器比较输出值。
COUNT_MODE：定时器工作模式，分为向上计数、向下计数和中心计数三种模式，这是和STM32的三种模式保持一致。
TRIG_ENABLE：中断输出是否使能，当计数器计数到CCR寄存器值的时候，是否输出一个中断信号。
PWM_OUT: PWM输出，分为三种模式，其一是不输出，其二是只输出一路PWM，其三是输出互补两路PWM。
PWM_OUT_MODEL: PWM输出的模式，也就是但计数器小于CCR的时候，是输出高电平，还是输出低电平。
PWM_DEATH_TIME: 死区时间，最大为10个时钟周期，也就是50ns，加上芯片内部基本上都内置了死区补偿，这个时间是够用了的。

然后就是端口信号

sys_clk_i，sys_rst_n_i: 100Mhz系统时钟和系统复位
pwm_clk_200M_i: PWM输出的参考时钟，为200Mhz，这个时钟频率越高，PWM的分辨率也就越高。
timer_trig_o: 中断信号输出
timer_pwm_o，timer_pwm_n_o ： PWM信号输出
其他：动态调整定时器的计数周期ARR和比较值CCR，从而可以调整PWM的频率和占空比，实际使用的过程中，只会调整占空比。

2. 设计细节

PWM模块设计原理比较简单，其中有两点需要注意一下，这两点中好了，设计起来就毫无压力~。

跨时钟同步: 定时器时钟频率为200Mhz，而系统时钟频率为100Mhz，模块只会涉及到中断信号的同步，定时器时钟域同步到系统时钟域下，快时钟域同步到慢时钟域下，也是同步场景中最为常见的一种，这里直接将脉冲信号作为使能信号，对另外一个信号进行取反，然后检查其边沿即可实现同步。

c 复制代码

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;
    else if( 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

互补PWM输出死区控制：死区控制的目的是为了防止短时间内两路PWM输出同时为高的情况发生，从而导致上下臂同时导通，了解了这个之后，就只需要将互补PWM输出信号中，输出为高电平的那个信号提前拉低即可，在实现的过程中要结合配置的定时器模式进行输出，会涉及到多重判断的情况，如下图所示，大家可以通过多级判断，去优化这部分时序。

最后给大家展示一下仿真结果