基于高云FPGA芯片的FOC电流环控制方案

FOC简述

磁场定向控制（Field Oriented Control，FOC），是目前无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）控制领域所采用的一种数学变换方法。FOC 精确地控制磁场大小与方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。

FOC 一般采用三环控制，分别为电流环、速度环、位置环。电流环控制电机的转矩，是FOC 控制的根本。而速度环、位置环主要通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PI调节，它的环内PI输出直接就是电流环的给定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流（转矩）的控制以达到对速度和位置的相应控制。

方案介绍

基于FOC Current Loop IP 的有感FOC 系统如下图所示。整个系统包含MCU、FPGA、电机功率驱动板（电机功率驱动板包括一些基本的保护、检测、控制信号，且驱动电路应符合SVPWM 调制原理）和带位置传感器接口的电机（譬如，绝对式/增量式等）。

基于FOC Current Loop IP 的有感FOC 实现

FPGA 部分主要实现FOC 电流环闭环系统，主要包含：

GW FOC Current Loop IP，提供电流环的核心计算；

电机编码器解析模块：用于获取电机位置反馈值。

ADC 采样模块：用于采集UV 两相电流反馈值。若采用SIGMA-DELTA ADC，则FPGA内部需实现SINC3 滤波及转换处理；若采用SAR 型ADC，一般采用SPI 接口解析。

相电流偏置补偿模块：用于补偿驱动板在零电流驱动下的偏置值。

电角度转换模块：用于将获得电机位置反馈值转换为电角度。

转子初始化模块：上电时，转子的初始位置是未知的，该模块用于上电之后，校准电机转子与0 电角度对齐。

总线接口模块：FPGA 与MCU 交互数据的模块，推荐采用并行总线接口通信。

MCU 部分主要实现FOC 的速度/位置环，有：

速度环：从FPGA 侧获取位置反馈信息（电机机械角度）后，估算出当前速度值（单位rpm），再根据想要获得的速度参考值进行速度pi 控制，并输出转矩值给FPGA 侧的电流环，形成双环闭环系统。

位置环：从FPGA 侧获取位置反馈信息（电机机械角度），根据位置指令与当前位置反馈信息的偏差进行位置PI 控制，并输出参数给速度环，接着经过速度环pi 控制输出指令至FPGA 侧的电流环，形成三环闭环系统。

应用案例

该参考设计的硬件平台采用DK_START_GW2A18-PG256 开发板（FPGA 型号为GW2A-18K），主要实现相电流采集、相电流补偿、电机编码器接口、FOC current Loop IP、转子初始化及FSMC 接口功能，其中pwm 波的频率为16KHz，电流环的更新频率亦为16KHz。

基于STM32F407 的最小系统板，主要实现位置环和速度环，其中位置环和速度环的更新频率为2KHz。

电机驱动板，母线电压为24V，采用6 单元MOSFET 结构，板上含有带SPI 接口的SAR 型ADC 芯片，分别对U/V 两相上桥臂进行电流采样。

带增量式/绝对式编码器的PMSM 电机（demo 均支持），其中增强式编码器采用4x模式，角度分辨率为一圈4000。而绝对式编码器采用RS485 电平，角度分辨率为一圈2^23，在demo 中，只用了绝对式编码器的高16bit，也就是说电机转一圈计数值从0~65536。注，后续的分析默认是基于绝对式编码器。

stm32 与FPGA 采用异步FSMC的并行总线进行交互数据，交互方式为中断触发。

GW FOC 应用参考案例

编辑：jq