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基于 FPGA 的磁场定向控制 (FOC)，用于驱动永磁同步电机 (PMSM) 或无刷直流电机 (BLDC)

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，并且更方便进行多路扩展和多路反馈协同。

本库实现了基于角度传感器（也就是磁编码器）的有感 FOC，即一个完整的电流环，可以进行扭矩控制。借助本库，你可以进一步使用 纯FPGA 或 MCU+FPGA 的方式实现更复杂的电机应用。

本库代码有详细的注释，如果你熟悉 Verilog 但不熟悉 FOC ，可以通过阅读代码来快速地学习 FOC （建议先阅读 FOC 原理 [6~9]）。一些用户在读代码时向本人反馈了一些疑问，我将它们整理在了 FAQ 里。

问 : 你的程序里是不是都没有在乎系数K，包括clark变换中得到的Iα和Iβ和ia、ib、ic也并没有满足严格的公式关系，程序中得到的Iα和Iβ是理论值的2倍。这是不是也可以用调整PID参数的思想来解释？

答： 是的，我很多地方的代码也与理论公式的系数不同，比如 clark 变换公式本来是： Iα = Ia - Ib/2 - Ic/2 Iβ = √3/2 * (Ib - Ic) 我多乘了个2： Iα = 2 * Ia - Ib - Ic Iβ = √3 * (Ib - Ic) 这是出于避免整数计算的截断导致的数据位丢失，比如 Ib/2 就会让 Ib 的最低 bit 丢失。不过实际上这种小误差基本不会影响控制质量。这种系数问题可以通过 PID 调参来消除。

问: 你的代码中的 cartesian2polar.sv 是把电压矢量从转子直角坐标系 (Vd, Vq) 变换到转子极坐标系 (Vrρ, Vrθ)，目的是什么？

答： 书上一般会说 SVPWM 模块输入的是定子直角坐标系下的电压，但我实现的 SVPWM 输入的是定子极坐标系下的电压，两种方法在数学上是等价的。而且 SVPWM 在 FPGA 里用查找表(ROM)实现，因此两种方法对电路复杂度影响不大。另外，输入极坐标系的 SVPWM 还带来 2 个好处和 1 个代价，好处 1 是更方便在开发过程中让电机开环地转起来（只需要让角度递增即可）。好处 2 是极坐标系下的 park 变换更简单，只需要用电压在转子坐标系中的角度减去电角度就能得到电压在定子坐标系中的角度。 代价是需要在 PID 的后面、park 变换的前面实现一个直角坐标系转极坐标系的运算，即 cartesian2polar.sv

问： AD7928只有一个T/H(采样保持器)，也就意味着这个AD一次只能保持一个通道的数据，也就是说当通道1 打开的时候采集A相的电流，然后采集完再打开通道2采集B相的电流，那么这并不是一个同步采集的过程，如何实现AD采样三相电流的同步输出？

答： 在电流采样问题上，我们与大多数 FOC 方案相同，因为 MP6540 里的采样电阻在下桥臂，所以规定 SVPWM 在每个控制周期（约 55us，对应频率18kHz）内至少有一段时间里 3 相都是下通上闭，称为采样窗口。FOC的基础振幅（也就是 foc_top.sv 里的 MAX_AMP 参数）越大，采样窗口越短。当 MAX_AMP=9'd511 (最大值) 时，采样窗口长度就是 0 了。而默认的 MAX_AMP=9'd384 大概会让采样窗口长度为十几us。 AD7928 只有一个T/H，所以采样窗口内要做 3 次采样，这个过程是 hold_detect.sv 和 adc_ad7928.sv 共同控制的，hold_detect.sv负责在采样窗口开始时延迟一段时间（来让电流趋于稳定）后发出 sn_adc 信号脉冲，来告诉 adc_ad7928.sv 可以开始工作了（可以通过 foc_top.sv 里的 SAMPLE_DELAY 来调整该延迟）。然后 adc_ad7928.sv 内部就会自动串行地完成 3 个通道的采样，最后再同步提交3个采样结果（提交的同时产生 o_en_adc 信号脉冲）。注意adc_ad7928.sv是一个通用的 AD7928 控制器，每收到一个 i_sn_adc 信号脉冲，就进行一系列串行采样。其中采样多少次，每次采样哪一个通道，都可以通过 adc_ad7928.sv 里的 parameter 来配置。所有通道采样结束后，产生o_en_adc信号脉冲，同时同步提交所有通道的结果。 我把 foc_top.sv 用来连接 ADC控制器的接口（也就是sn_adc, en_adc, adc_a, adc_b, adc_c 这几个信号）设计成同步读入3通道数据，是出于通用性、简约性和可移植性的原则考虑，因为这样的同步读入接口是 ADC 的一种高度抽象，最容易让人理解其时序（即，sn_adc脉冲命令ADC控制器开始工作。en_adc指示ADC读取器结束工作，同时 adc_a, adc_b, adc_c 上产生结果）。如果用户用了其它 ADC 型号，只需按照这个时序的抽象来具象地编写 ADC 控制器即可，而 foc_top.sv 并不关心拟用的是1个串行的ADC还是3个并行的ADC，反正你都要给我同步提交。当然，用户必须自己算好 hold_detect.sv 的延时 + ADC 采样三个通道（也即 sn_adc 脉冲和 en_adc 脉冲的时间差） 是小于采样窗口的长度的。

问： 进行串行采样的时候不会出现这样的问题：第一个时钟周期采到的是A相的电流，第2个时钟周期采的是B相，第3个时钟周期采到的是C相，而我们知道相电流是正弦变化的，这三个时钟周期采的A B C 三相电流并不是同一时刻的相电流，因此这将产生误差，而时钟周期是很短的，是不是产生的误差几乎可以忽略不计呢？

答： 首先指正一个不准确的地方， AD7928 的接口是 SPI （一种串行接口），其采样是多个时钟周期（而不是一个时钟周期）内完成的。因此三相的采样间隔是几十个时钟周期（具体数字我忘了，你可以仿真确定一下）。 虽然不同步，但3相的采样毕竟都是在同一个控制周期的采样窗口（几微秒）内。而相电流的变化通常以控制周期（即几十微秒）为尺度变化，例如 3000r/min（50r/s）的转子，若极对数=7，其相电流是350Hz（周期28ms）的正弦波，其变化在几微秒内是可以忽略的。

FPGA based Field Oriented Control (FOC) for driving Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) or Brushless DC Motors (BLDC)

FOC puts forward certain requirements on sensor sampling rate and processor computing. Using an FPGA-based FOC can achieve better real-time performance and is more convenient for multi-channel expansion and multi-channel feedback.

This repository implements FOC based on a angle sensor (such as a magnetic encoder). In other word, it implements a complete current loop which can perform torque control. With this repository, you can further implement more complex motor applications using FPGA or MCU+FPGA.

The code in this repository has detailed comments (in Chinese). If you are familiar with Verilog but not familiar with FOC, you can quickly learn FOC by reading the code.

Platform independent：Written in pure SystemVerilog, able to run on various FPGAs such as Altera and Xilinx.

Support 3 channels of PWM + 1 channel of EN: when PWM=1, the upper MOSFET turns on, and when PWM=0, the lower MOSFET turns on. When EN=0, all 6 MOSFET are turned off.

Supports angle sensor and phase current sampling ADC with 12bit resolution. For sensors >12bit, low-order truncation is required. For sensors