以下文章來源于OpenFPGA，作者碎碎思

近年來，隨著嵌入式控制與功率電子的融合，基于 FPGA/SoC 的電機控制越來越受到關注。特別是 矢量控制(Field Oriented Control, FOC)，它是高性能電機驅動(如 BLDC / PMSM)中的核心算法。為了幫助開發者更快落地這一領域，Xilinx 官方維護了一個開源庫——FOC Motor Control Library。

該庫不僅提供了完整的電機控制應用，還帶有工具鏈支持、Dashboard 界面與實際部署示例，是 FPGA/SoC 從控制算法到實際系統的橋梁。

項目概述

項目名稱：FOC Motor Control Library

來源：Xilinx 官方 GitHub 開源倉庫(MIT 許可)

適用平臺：Kria KD240 / Zynq 系列 FPGA/SoC 平臺

編程語言：HLS、C++、Python、CMake 等

應用方向：基于 Kria / Zynq 平臺的電機控制系統(矢量控制、PWM 輸出、PID 環、Dashboard 控制界面等)

硬件架構

從總體上看，該設計由電機控制系統、數據監控系統、數據處理系統和通信系統組成。

電機控制系統

這些模塊用于控制電機的速度和方向。除柵極驅動器外，其余模塊均為來自 AMD Vitis 電機控制庫的高級綜合 (HLS) 模塊。

正交編碼器接口(QEI)

FOC

空間矢量脈寬調制(SVPWM)

脈沖寬度調制發生器(PWM發生器)

Gate Driver

數據監控系統

這些模塊用于監控來自電機和直流電源的數據。

ADC采樣控制

電機A、B、C相及直流鏈路的電流和電壓模數轉換器(ADC)接口

Unicode 直接二進制 (USB) 到二進制補碼 (BTC) 的轉換

雙極偏移二進制 (BOB) 到 BTC 的轉換

數據處理系統

該模塊控制ADC接口，并決定何時對ADC進行采樣。它還執行基本濾波、數據縮放，并將其格式化為Q-Scale格式。

ADC中心

時間敏感網絡(TSN)系統

該系統支持基于流量整形協議的以太網流量傳輸。流量可以是機器人系統中不同節點之間或各種工業現場設備之間需要傳遞的控制信息。這些系統的要求是流量必須具有確定性。

TSN IP

AXI 多通道 DMA (MCDMA)

時間感知直接內存訪問(TADMA)

測試 PMOD 控制器

1-Wire 總線主機

此接口可用于讀取外部 1-Wire 設備，例如溫度傳感器。

平臺軟件架構

本節介紹設計中涉及的軟件組件及其相互關系。

該軟件棧提供了一個全面的庫，可以通過各種用戶界面進行交互，并通過 Kria Drive SOM 板高效地驅動電機。

下圖展示了頂層架構以及各種軟件組件的排列方式：

內核

Ubuntu Linux 內核

hwmon硬件監控內核框架

Drivers:

xilinx_adc_hub模數轉換器 (ADC) 集線器的 IIO 驅動程序

hls_qei_axi：QEI傳感器的IIO驅動程序

hsl_foc_periodic：基于傳感器的場定向控制器的 IIO 驅動程序

hls_pwm_gen：PWM發生器的IIO驅動程序

hsl_svpwm_duty：SVPWM 的 IIO 驅動程序

amd_axi_w1：AMD 1Wire 可編程邏輯總線驅動程序

中間件

IIO 框架和 libiio 庫

通用UIO框架

CANopen庫

應用程序和庫

電機控制庫(包含自定義電機控制IP的UIO驅動程序)

Bokeh儀表盤

CANopen 服務器

lm-sensors：Linux 監控傳感器實用程序包

核心亮點

1. 矢量控制全棧支持

這個庫實現了電機控制系統中最關鍵的 矢量控制算法(FOC)，包括：

電流環與速度環控制

PWM 信號生成

參數配置與實時調試

CANopen / CLI / Dashboard 等多種控制接口支持

扭矩控制

轉矩控制采用閉環控制，旨在維持指定的轉矩值。在這種運行模式下，q矢量提供電機的有效轉矩輸出，d矢量提供平行于轉子的力。d矢量代表直接或非旋轉力矢量，在非弱磁控制場景中，其值圍繞零設定點進行控制。

速度控制

恒速控制是通過PI控制器實現的，該控制器調節電機扭矩以保持指定的電機速度。

FOC應用架構

下面框圖顯示了帶傳感器的 FOC 應用程序的實現。

2. 可視化 Dashboard 與實時監控

項目支持用 Python/UI Dashboard 實時監控：

電機電流波形

速度響應

PID 調整效果

3. 多種部署方式

Dashboard 應用：終端 UI 實時調試界面

Command Line(CLI)應用：控制與輸出反饋

CANopen 應用：集成總線通信協議支持

4. 工程級構建與組件化

這個庫使用 CMake 配置構建，支持：

Lib 安裝到系統目錄

帶測試(BUILD_TEST)模塊編譯

Dashboard / CLI / CANopen 子應用自由開關

5. 與硬件聯調示例

官方文檔里提供了 KD240 平臺的部署與調試示例，支持用瀏覽器訪問控制界面進行參數配置與運行監控。

示例界面特點：

支持 Bokeh Server 控制板載電機

參數文件可靈活更換

一鍵啟動電機控制系統并實時可視化反饋

可用鏈接

官方HLS電機控制相關開源庫

https://docs.xilinx.com/r/en-US/Vitis_Libraries/motor_control/index.html

APP庫

https://github.com/Xilinx/foc-motor-ctrl

官方文檔

https://xilinx.github.io/kria-apps-docs/kd240/foc-motor-ctrl/0_5/build/html/docs/app_deployment.html

官方控制硬件

https://xilinx.github.io/kria-apps-docs/kd240/build/html/index.html

總結

Xilinx 的 FOC Motor Control Library 是一個真正工程級的開源電機控制框架。它不僅覆蓋了 FOC 控制算法核心，還集成了監控、參數配置、不同運行模式和跨平臺支持。

官方還有一個機器人堆棧 (KRS)開源項目，我們后期再一起學習~