FOC簡述

磁場定向控制（Field Oriented Control，FOC），是目前無刷直流電機（BLDC）和永磁同步電機（PMSM）控制領域所采用的一種數學變換方法。FOC 精確地控制磁場大小與方向，使得電機轉矩平穩、噪聲小、效率高，并且具有高速的動態響應。

FOC 一般采用三環控制，分別為電流環、速度環、位置環。電流環控制電機的轉矩，是FOC 控制的根本。而速度環、位置環主要通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋PI調節，它的環內PI輸出直接就是電流環的給定，所以速度環控制時就包含了速度環和電流環，換句話說任何模式都必須使用電流環，電流環是控制的根本，在速度和位置控制的同時系統實際也在進行電流（轉矩）的控制以達到對速度和位置的相應控制。

方案介紹

基于FOC Current Loop IP 的有感FOC 系統如下圖所示。整個系統包含MCU、FPGA、電機功率驅動板（電機功率驅動板包括一些基本的保護、檢測、控制信號，且驅動電路應符合SVPWM 調制原理）和帶位置傳感器接口的電機（譬如，絕對式/增量式等）。

基于FOC Current Loop IP 的有感FOC 實現

FPGA 部分主要實現FOC 電流環閉環系統，主要包含：

GW FOC Current Loop IP，提供電流環的核心計算；

電機編碼器解析模塊：用于獲取電機位置反饋值。

ADC 采樣模塊：用于采集UV 兩相電流反饋值。若采用SIGMA-DELTA ADC，則FPGA內部需實現SINC3 濾波及轉換處理；若采用SAR 型ADC，一般采用SPI 接口解析。

相電流偏置補償模塊：用于補償驅動板在零電流驅動下的偏置值。

電角度轉換模塊：用于將獲得電機位置反饋值轉換為電角度。

轉子初始化模塊：上電時，轉子的初始位置是未知的，該模塊用于上電之后，校準電機轉子與0 電角度對齊。

總線接口模塊：FPGA 與MCU 交互數據的模塊，推薦采用并行總線接口通信。

MCU 部分主要實現FOC 的速度/位置環，有：

速度環：從FPGA 側獲取位置反饋信息（電機機械角度）后，估算出當前速度值（單位rpm），再根據想要獲得的速度參考值進行速度pi 控制，并輸出轉矩值給FPGA 側的電流環，形成雙環閉環系統。

位置環：從FPGA 側獲取位置反饋信息（電機機械角度），根據位置指令與當前位置反饋信息的偏差進行位置PI 控制，并輸出參數給速度環，接著經過速度環pi 控制輸出指令至FPGA 側的電流環，形成三環閉環系統。

應用案例

該參考設計的硬件平臺采用DK_START_GW2A18-PG256 開發板（FPGA 型號為GW2A-18K），主要實現相電流采集、相電流補償、電機編碼器接口、FOC current Loop IP、轉子初始化及FSMC 接口功能，其中pwm 波的頻率為16KHz，電流環的更新頻率亦為16KHz。

基于STM32F407 的最小系統板，主要實現位置環和速度環，其中位置環和速度環的更新頻率為2KHz。

電機驅動板，母線電壓為24V，采用6 單元MOSFET 結構，板上含有帶SPI 接口的SAR 型ADC 芯片，分別對U/V 兩相上橋臂進行電流采樣。

帶增量式/絕對式編碼器的PMSM 電機（demo 均支持），其中增強式編碼器采用4x模式，角度分辨率為一圈4000。而絕對式編碼器采用RS485 電平，角度分辨率為一圈2^23，在demo 中，只用了絕對式編碼器的高16bit，也就是說電機轉一圈計數值從0~65536。注，后續的分析默認是基于絕對式編碼器。

stm32 與FPGA 采用異步FSMC的并行總線進行交互數據，交互方式為中斷觸發。

GW FOC 應用參考案例

編輯：jq