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基于FPGA：如何通过电调控制无刷电机（包含FPGA及Arduino程序）

时间：2020-04-12 13:00:13

日常·唠嗑：已经过去，回首这一年，真的经历了很多，申报项目、集创赛、电赛、机械创新赛、挑战杯、写博客、遇见她……一路走来磕磕碰碰，也成长了许多。在伊始，写下这篇博客博客，希望能不忘初心，也希望每个人能越来越好，心想事成。

文章目录

前言一、什么是电调、无刷电机1、电调2、无刷电机二、如何接线三、程序驱动1、FPGA程序（Verilog）2、Arduino程序（C）总结

前言

我的大创项目，广东科技基金项目申报的都是关于水陆两栖的作品，动力装置难免需要用到风力推进，普通电机体积大，转速慢，基本无法满足需求。经过研究，我发现无人机使用的无刷电机就可以符合这些要求，降低整个作品的重量，还能提供充足的动力。从去年11月，我就一直在想做一下无刷电机的程序控制，但是由于很多事堆积在一起，每次看一下就放弃了，没去深入研究。最近总算下定决心解决这一问题了，在网上基本找不到FPGA控制无刷电机的相关资料（就连单片机控制无刷电机的程序都很难找到），在这里我将自己最近的学习所得在这里分享给大家。先看一下我做的作品效果视频：

基于FPGA：电调与无刷电机控制

一、什么是电调、无刷电机

1、电调

电调又称电子调速器，指的是根据控制信号调节电动机的转速。电调的连接一般是和输入线和电池连接，电调的输出线与电机连接，电调的信号线与接收机连接。电调最主要是用在航模、车模、船模、飞碟以及飞盘的玩具模型上面，这些模型可以通过电调驱动电机完成的各种的指令，达到与真实一样的效果。

关于电调的控制信号（重点）：电调信号是pwm信号，信号频率为50HZ，一个周期为20ms。对于电调来讲，高电平脉宽为1ms表示停转（低于1ms的时候电机会发出滴滴的声音），高电平脉宽为2ms表示满油门运转（可以调整周期时间来控制转速，范围为1ms~2ms）；注：其实无刷电机的驱动方式跟舵机一模一样。对于舵机来说1.5ms是归中，1ms和2ms分别为左右满舵。值得一提的是，电调有双向以及单向的，双向的可以通过程序控制电机正反转，双向电调1ms的时候，为电机满速反转。单向电调，无刷电机三根线与电调三根线接即可，接线方式任意，若发现电机旋转方向相反，只要调整上述三根的任意两根线即可。电调与舵机的pwm驱动时序图：

2、无刷电机

电机参数：KV额定值为1000，可以使用2S，3S或4S LiPo电池供电，并且需要30A ESC。无刷电动机的KV额定值定义了无负载时每伏电动机的RPM。在这种情况下，1000KV意味着，例如，如果我们为电动机提供2S锂电池，其电压为7.4伏，则电动机的最大RPM可以达到1000的7.4倍，即7400 RPM。无刷电机非常耗电，最常用的供电方法是使用锂聚合物电池。 LiPo电池的“ S”号表示该电池有多少个电池，每个电池的电压为3.7V。在实验中，我使用的是3S LiPo电池，该电池具有3节电池且为11.1V。因此，我可以预期我的电机将达到11100的最大RPM。

最后，在实验中要使用的20A电调，它可以满足电动机的要求。 ESC的一侧有3条线，用于控制电动机的三相，而另一侧则有2条线，为信号线和GND，用于接收开发板的pwm信号和共地。注：有些电调这一侧是有三根线的，一根为信号线，另外两根为+5V和GND用来给开发板供电。我使用的这款是没办法通过电调给开发板供电的，需要另开接电源给开发板供电。

二、如何接线

图片中，电调ESC一侧三个口接电机三根线（随便接，没有顺序），另外一侧，有4根线（有一些电调是5根，多出来一根可以给开发板供电），红线（粗），黑线（粗）接电池正负极，白线（细）接开发板pwm引脚，黑线接开发板GND共地。

三、程序驱动

1、FPGA程序（Verilog）

module red_run(sys_clk,sys_rst_n,data, //data为控制信号输入，这里我用的是红外遥控来控制转速，你们可以把它改成开发板按键控制就好了pwm_out);input sys_clk;input sys_rst_n;input [7:0] data;output pwm_out;wire sys_clk;wire sys_rst_n;wire [7:0] data;reg pwm_out;parameter s=1000_000,//20ms-----Ts0=125_000,//2.5ms----180s1=100_000,//2ms-----135s2=75_000,//1.5ms----90s3=50_000,//1ms-----45s4=25_000;//0.5ms---0s5=60_000,reg [15:0] period_cnt ; //1khz 1ms 1ms/20ns=50000reg[31:0] cnt_r;reg[31:0]cnt;always@(*)beginif(!sys_rst_n)begincnt_r <= 31'd0;endelsecase(data)8'd22: cnt_r <= s4;8'd25: cnt_r <= s3;8'd13: cnt_r <= s2;8'd12: cnt_r <= s1;8'd24: cnt_r <= s0;8'd94: cnt_r <= s5;default:begincnt_r <= s3; endendcaseendalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)cnt <= 31'd0;else if(cnt >= s)cnt <= 31'd0;elsecnt <= cnt + 1'b1;endalways@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)pwm_out <= 1'b0;else if(cnt <= cnt_r)pwm_out <= 1'b1;elsepwm_out <= 1'b0;endendmodule //red_run

2、Arduino程序（C）

#include<Servo.h>Servo ESC; //Servo函数用来产生pwm信号int poLValue;void setup(){//ALLach the ESC on pin 9ESC.attach(9,1000,2000); //(pin,min pulse width,max pulse width in)}void loop(){potValue - analogRead(A0);poLValue - map(poLValue,0,1023,0,180);ESC.write(potValue);}