以下文章來(lái)源于OpenFPGA，作者碎碎思

近年來(lái)，隨著嵌入式控制與功率電子的融合，基于 FPGA/SoC 的電機(jī)控制越來(lái)越受到關(guān)注。特別是 矢量控制(Field Oriented Control, FOC)，它是高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)(如 BLDC / PMSM)中的核心算法。為了幫助開(kāi)發(fā)者更快落地這一領(lǐng)域，Xilinx 官方維護(hù)了一個(gè)開(kāi)源庫(kù)——FOC Motor Control Library。

該庫(kù)不僅提供了完整的電機(jī)控制應(yīng)用，還帶有工具鏈支持、Dashboard 界面與實(shí)際部署示例，是 FPGA/SoC 從控制算法到實(shí)際系統(tǒng)的橋梁。

項(xiàng)目概述

項(xiàng)目名稱(chēng)：FOC Motor Control Library

來(lái)源：Xilinx 官方 GitHub 開(kāi)源倉(cāng)庫(kù)(MIT 許可)

適用平臺(tái)：Kria KD240 / Zynq 系列 FPGA/SoC 平臺(tái)

編程語(yǔ)言：HLS、C++、Python、CMake 等

應(yīng)用方向：基于 Kria / Zynq 平臺(tái)的電機(jī)控制系統(tǒng)(矢量控制、PWM 輸出、PID 環(huán)、Dashboard 控制界面等)

硬件架構(gòu)

從總體上看，該設(shè)計(jì)由電機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成。

電機(jī)控制系統(tǒng)

這些模塊用于控制電機(jī)的速度和方向。除柵極驅(qū)動(dòng)器外，其余模塊均為來(lái)自 AMD Vitis 電機(jī)控制庫(kù)的高級(jí)綜合 (HLS) 模塊。

正交編碼器接口(QEI)

FOC

空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)

脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器(PWM發(fā)生器)

Gate Driver

數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)

這些模塊用于監(jiān)控來(lái)自電機(jī)和直流電源的數(shù)據(jù)。

ADC采樣控制

電機(jī)A、B、C相及直流鏈路的電流和電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)接口

Unicode 直接二進(jìn)制 (USB) 到二進(jìn)制補(bǔ)碼 (BTC) 的轉(zhuǎn)換

雙極偏移二進(jìn)制 (BOB) 到 BTC 的轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

該模塊控制ADC接口，并決定何時(shí)對(duì)ADC進(jìn)行采樣。它還執(zhí)行基本濾波、數(shù)據(jù)縮放，并將其格式化為Q-Scale格式。

ADC中心

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)系統(tǒng)

該系統(tǒng)支持基于流量整形協(xié)議的以太網(wǎng)流量傳輸。流量可以是機(jī)器人系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)之間或各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間需要傳遞的控制信息。這些系統(tǒng)的要求是流量必須具有確定性。

TSN IP

AXI 多通道 DMA (MCDMA)

時(shí)間感知直接內(nèi)存訪問(wèn)(TADMA)

測(cè)試 PMOD 控制器

1-Wire 總線主機(jī)

此接口可用于讀取外部 1-Wire 設(shè)備，例如溫度傳感器。

平臺(tái)軟件架構(gòu)

本節(jié)介紹設(shè)計(jì)中涉及的軟件組件及其相互關(guān)系。

該軟件棧提供了一個(gè)全面的庫(kù)，可以通過(guò)各種用戶(hù)界面進(jìn)行交互，并通過(guò) Kria Drive SOM 板高效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

下圖展示了頂層架構(gòu)以及各種軟件組件的排列方式：

內(nèi)核

Ubuntu Linux 內(nèi)核

hwmon硬件監(jiān)控內(nèi)核框架

Drivers:

xilinx_adc_hub模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 集線器的 IIO 驅(qū)動(dòng)程序

hls_qei_axi：QEI傳感器的IIO驅(qū)動(dòng)程序

hsl_foc_periodic：基于傳感器的場(chǎng)定向控制器的 IIO 驅(qū)動(dòng)程序

hls_pwm_gen：PWM發(fā)生器的IIO驅(qū)動(dòng)程序

hsl_svpwm_duty：SVPWM 的 IIO 驅(qū)動(dòng)程序

amd_axi_w1：AMD 1Wire 可編程邏輯總線驅(qū)動(dòng)程序

中間件

IIO 框架和 libiio 庫(kù)

通用UIO框架

CANopen庫(kù)

應(yīng)用程序和庫(kù)

電機(jī)控制庫(kù)(包含自定義電機(jī)控制IP的UIO驅(qū)動(dòng)程序)

Bokeh儀表盤(pán)

CANopen 服務(wù)器

lm-sensors：Linux 監(jiān)控傳感器實(shí)用程序包

核心亮點(diǎn)

1. 矢量控制全棧支持

這個(gè)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的 矢量控制算法(FOC)，包括：

電流環(huán)與速度環(huán)控制

PWM 信號(hào)生成

參數(shù)配置與實(shí)時(shí)調(diào)試

CANopen / CLI / Dashboard 等多種控制接口支持

扭矩控制

轉(zhuǎn)矩控制采用閉環(huán)控制，旨在維持指定的轉(zhuǎn)矩值。在這種運(yùn)行模式下，q矢量提供電機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩輸出，d矢量提供平行于轉(zhuǎn)子的力。d矢量代表直接或非旋轉(zhuǎn)力矢量，在非弱磁控制場(chǎng)景中，其值圍繞零設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行控制。

速度控制

恒速控制是通過(guò)PI控制器實(shí)現(xiàn)的，該控制器調(diào)節(jié)電機(jī)扭矩以保持指定的電機(jī)速度。

FOC應(yīng)用架構(gòu)

下面框圖顯示了帶傳感器的 FOC 應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)。

2. 可視化 Dashboard 與實(shí)時(shí)監(jiān)控

項(xiàng)目支持用 Python/UI Dashboard 實(shí)時(shí)監(jiān)控：

電機(jī)電流波形

速度響應(yīng)

PID 調(diào)整效果

3. 多種部署方式

Dashboard 應(yīng)用：終端 UI 實(shí)時(shí)調(diào)試界面

Command Line(CLI)應(yīng)用：控制與輸出反饋

CANopen 應(yīng)用：集成總線通信協(xié)議支持

4. 工程級(jí)構(gòu)建與組件化

這個(gè)庫(kù)使用 CMake 配置構(gòu)建，支持：

Lib 安裝到系統(tǒng)目錄

帶測(cè)試(BUILD_TEST)模塊編譯

Dashboard / CLI / CANopen 子應(yīng)用自由開(kāi)關(guān)

5. 與硬件聯(lián)調(diào)示例

官方文檔里提供了 KD240 平臺(tái)的部署與調(diào)試示例，支持用瀏覽器訪問(wèn)控制界面進(jìn)行參數(shù)配置與運(yùn)行監(jiān)控。

示例界面特點(diǎn)：

支持 Bokeh Server 控制板載電機(jī)

參數(shù)文件可靈活更換

一鍵啟動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)并實(shí)時(shí)可視化反饋

可用鏈接

官方HLS電機(jī)控制相關(guān)開(kāi)源庫(kù)

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

APP庫(kù)

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(jié)

Xilinx 的 FOC Motor Control Library 是一個(gè)真正工程級(jí)的開(kāi)源電機(jī)控制框架。它不僅覆蓋了 FOC 控制算法核心，還集成了監(jiān)控、參數(shù)配置、不同運(yùn)行模式和跨平臺(tái)支持。

官方還有一個(gè)機(jī)器人堆棧 (KRS)開(kāi)源項(xiàng)目，我們后期再一起學(xué)習(xí)~