FpOC

基于 FPGA 的磁场定向控制 (FOC)，用于驱动永磁同步电机 (PMSM)

简介

FOC控制算法对传感器采样速率和处理器算力提出了一定的要求，使用 FPGA 实现的 FOC 可以获得更好的实时性和零延迟抖动，并且更方便进行多路扩展。

本库实现了基于角度传感器（例如磁编码器）的有感 FOC（一个完整的电流反馈环），可以进行扭矩控制。借助本库，可以进一步使用 FPGA 、软核 MCU 或外置 MCU 实现更复杂的电机应用。

图1：系统框图

该项目代码有详细的注释，结合其它科普资料（见[6][8][9]），可以用来快速地熟悉 FOC 。

特点

• 平台无关 ：纯 RTL 编写，可以在 Altera 和 Xilinx 等各种 FPGA 上运行。
• 支持 12bit 分辨率的角度传感器和相电流采样ADC，对于>12bit的传感器，需要进行低位截断。对于<12bit的传感器，需要进行低位补0。
• 支持 3路PWM + 1路EN ：PWM=1 时上半桥导通，PWM=0 时下半桥导通。 EN=0 时所有 MOS 关断。
• 使用 16bit 有符号整数进行计算，降低了资源消耗，考虑到传感器为 12bit，16bit 计算是够用的。

运行示例

图1 是本库的系统框图，实现了一个简单的行为——控制电机的电流（扭矩）按顺时针，逆时针交替运行。同时，使用 UART 打印电流的控制目标值和实际值，以便观察控制的质量。

该示例的所有代码都在 ./RTL 目录下。工程在 ./FPGA 目录下，需要用 Quartus 软件打开。

准备硬件

需要准备以下硬件：

• PMSM 电机
• FPGA 开发板
• 磁编码器 AS5600，安装在电机上用于获取角度
• AD7928 ADC 模块，用于进行相电流采样（好像没有现成卖的，需要自己画模块）
• 电机驱动板，要支持3相 EN+PWM 输入信号，并且使用低侧电阻采样法+放大器对3相电流进行放大。

可以直接使用我画的 电机驱动板（自带AD7928），立创EDA工程在此，只需要把它接一个 FPGA 开发板即可。

硬件连接与引脚分配

见该工程的顶层文件 top.sv 的注释，以下外设需要连到 FPGA 的引脚上（普通IO引脚即可）：

• 晶振， 50MHz 时钟，连接在 clk_50m 信号上。
• 角度传感器 AS5600 , I2C 接口, 2根线: i2c_scl, i2c_sda
• ADC AD7928 , SPI接口，4根线: spi_ss, spi_sck, spi_mosi, spi_miso
• 3相PWM输出信号（通常接在Gate Driver上，例如MP6540/DRV8301），4根线: pwm_en, pwm_a, pwm_b, pwm_c

另外还有一个 UART 发送信号 (uart_tx) 是可选的，可以把它连接在 UART 转 USB 模块上，通过 UART 来监测电流环的跟随曲线。

连接好后别忘了使用 Quartus （或者手动修改./FPGA/foc.qsf）根据实际情况修改FPGA芯片型号，修改引脚约束。

调参

foc_top.sv 中有一些参数可以调整，例如电机的极对数、PID参数等，每个参数的含义详见 foc_top.sv 。可以通过修改 top.sv 的 97~103 行来修改这些参数。

运行示例

综合并烧录到 FPGA 后，可以看到电机正反交替运行。

监视串口

把 uart_tx 信号通过 UART 转 USB 模块 （例如CP2102模块） 连接到电脑上，就可以用串口助手、Putty等软件来监测电流环的跟随效果。

注: UART 的格式是 115200,8,n,1

以下是串口打印的部分信息。其中第1~4列分别为：d轴电流的实际值，d轴电流的目标值，q轴电流的实际值，q轴电流的目标值。可以看到，即使目标值从+200突变到-200，实际值能跟着目标值走，说明电流环的 PID 控制是有效的。

 -5       0     206     200 
-16       0     202     200 
 16       0     192     200 
 15       0     201     200 
  1       0     197     200 
 17       0    -211    -200 
 -6       0    -199    -200 
-10       0    -210    -200 
 -3       0    -207    -200 
  0       0    -202    -200 
-15       0    -211    -200 

另外，你可以借用 Arduino IDE 的串口绘图器来实时显示电流跟随曲线。前往该网站下载 Arduino IDE，安装后打开，在“工具→端口”中选择正确的COM口，然后点击“工具→串口绘图器”，串口绘图器会自动接收串口并使用上述4列数据画实时曲线图。

图2 是我这里绘制出的电流跟随曲线。蓝色曲线是第1列数据（d轴电流的实际值）；红色曲线是第2列数据（d轴电流的目标值）；绿色曲线是第3列数据（q轴电流的实际值）；土黄色曲线是第4列数据（q轴电流的目标值）。可以看到实际值能跟着目标值走。

图2：电流跟随曲线

代码详解

下表罗列了该工程使用的所有 (System-)Verilog 代码文件，这些文件都在 ./RTL 目录下。，结合图1就能看出每个模块的作用。

文件名	功能	备注
top.sv	FPGA工程的顶层模块
pll.v	使用 50MHz 时钟生成 36.864MHz 时钟	只支持 Altera Cyclone IV，其它型号的 FPGA 需要用相应的IP核或原语代替
uart_monitor.sv	UART 发送器，用于数据监测	不需要的话可以删除
uart_tx.sv	UART 发送控制器，被 uart_monitor.sv 调用	不需要的话可以删除
itoa.sv	数字转十进制字符串，被 uart_monitor.sv 调用	不需要的话可以删除
as5600_read.sv	AS5600 磁编码器读取器
i2c_register_read.sv	I2C 读取器，被 as5600_read.sv 调用
adc_ad7928.sv	AD7928 读取器
foc_top.sv	FOC+SVPWM （即图1中的青色部分）	固定算法，一般不需要改动
clark_tr.sv	Clark 变换	固定算法，一般不需要改动
park_tr.sv	Park 变换	固定算法，一般不需要改动
sincos.sv	正弦/余弦计算器，被 park_tr.sv 调用	固定算法，一般不需要改动
pi_controller.sv	PID 控制器（只有P和I）	固定算法，一般不需要改动
cartesian2polar.sv	直角坐标系转极坐标系	固定算法，一般不需要改动
svpwm.sv	SVPWM 调制器	固定算法，一般不需要改动
hold_detect.sv	监测3个下桥臂都导通时，延迟一段时间后触发 sn_adc 信号，指示ADC可以开始采样	固定算法，一般不需要改动

图1：系统框图

在图1中：

• 淡橙色部分是FPGA外部的硬件，包括Gate Driver、3相半桥(6个MOSFET)、采样电阻、放大器、ADC芯片、角度传感器等部件，取决于电路使用什么方案。例如，有些集成度很高的芯片（例如MP6540）可以把Gate Driver、3相半桥、采样电阻、放大器集成在同一个芯片里。
• 粉色部分是FPGA中的硬件相关逻辑，即传感器控制器，如果角度传感器和 ADC 型号变了，这部分代码需要重写。
• 青色部分是FPGA中的 FOC 的固定算法，属于硬件无关逻辑，一般不需要改变。
• 黄色部分是用户自定逻辑，用户可以修改 user behavior 来实现各种电机应用。或者修改 uart_monitor 来监测其它变量。

另外，除了 pll.v 外，该库的所有代码都使用纯 RTL 编写，可以轻易地移植到其它厂商（Xilinx、Lattice等）的 FPGA 上。 pll.v 只是用来把 50MHz 时钟变成 36.864MHz 时钟的，只适用于 Altera Cyclone IV FPGA，当使用其它厂商或系列的FPGA时，需要使用它们各自的 IP 核或原语（例如Xilinx的clock wizard）来代替。

top.sv 和 foc_top.sv 注有详细的注释。如果你了解 FOC 算法，可以直接读懂。如果刚入门 FOC，可以结合参考资料[6][8][9]去阅读。

可扩展功能

• 使用自己编写的模块来代替 as5600_read.sv，以适配其它型号的角度传感器。
• 使用自己编写的模块来代替 adc_ad7928.sv，以适配其它型号的 ADC。
• 在 top.sv 中添加外环（速度环、位置环等）进一步实现各种电机应用。

参考资料

• [1] Sensorless FOC for PMSM, MicroChip.
• [2] Current sensing in BLDC motor application, ST.
• [3] Center-Aligned SVPWM Realization, TI
• [4] MP6540, 3-phase, brushless DC motor drivers, MPS.
• [5] AD7928, 8-Channel, 1 MSPS, 12-Bit ADC, Analog Devices.
• [6] 深入浅出讲解FOC算法与SVPWM技术, 稚晖 - 知乎
• [7] 如何从零开始写一套自己的FOC矢量控制程序, 上官致远 - 知乎
• [8] STM32电动机控制应用系列讲座
• [9] BLDC电机基础