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FPGA-based Field Oriented Control (FOC) for driving PMSM motor.

Primary LanguageSystemVerilog

test docs

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。

diagram
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。

wave
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
diagram
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