# FPGA-FOC

**Repository Path**: whpUp/fpga-foc

## Basic Information

- **Project Name**: FPGA-FOC
- **Description**: 基于纯Verilog实现的FOC控制器，三环均已实现，并且提供配套的上位机进行系统调试
- **Primary Language**: Verilog
- **License**: AGPL-3.0
- **Default Branch**: master
- **Homepage**: None
- **GVP Project**: No

## Statistics

- **Stars**: 45
- **Forks**: 20
- **Created**: 2024-12-24
- **Last Updated**: 2025-07-21

## Categories & Tags

**Categories**: Uncategorized

**Tags**: None

## README

![核心板](https://img.shields.io/badge/Ethereal-核心板-green.svg)![核心板](https://img.shields.io/badge/FPGA-FOC-green.svg)![FOC](https://img.shields.io/badge/FOC-开源-green.svg)

### 一. 硬件简介

Ethereal核心板(ZYNQ7020)终于迎来了第一块底板，实物如下图所示，是一块专门用来学习无刷电机驱动FOC算法的底板，目前来说，是淘宝在售基于FPGA的唯一一款入门级别的学习板。近两年电机驱动这块比较火爆，特别是基于FOC算法的电机驱动，在B站和嘉立创开源广场程上的相关视频和作品不断地涌现，为大家提供了一个很好的学习环境和氛围。有打算入坑的小伙伴可以持续关注，毕竟机器人和新能源汽车较为火爆(能够看到的行业)。

![1](https://gitee.com/whpUp/fpga-foc/raw/master/3.%20Image/1.png)



### 二. 底板详情

1. **工作电压**:  7 ~ 24 V
2. **工作电流**: 3A
3. **驱动芯片**: MP6540
4. **电流采样**: 低端三相采样
5. **磁编码器**: AS5047P 支持 SPI 、ABZ、 HALL三种方式
6. **ADC采样芯片**: AD7928 8通道 SPI接口
7. **外围接口**: 一路UART 和 一路JTAG，均为SH1.0接口

从底板详情信息可以看出，板载资源全部是围绕无刷电机驱动相关的电路，没有其它一些不必要功能，这样在使用起来非常方便，免去了一些其它不必要的操作；同时作为专门来学习FOC算法的小伙伴来说，可以大大节约成本。而作为公司来说，可以作为前期的学习和验证平台。

### 三. 视频演示

目前已经在FPGA侧完成了电流环和速度环的控制，前两环控制无误，那么位置环就没什么问题，所以这套软件开发的第一阶段就已经完结(  已开源仅供参考,还有很多不完善的地方，例如消耗资源过多，控制精度粗糙等等  )。演示视频: [B站演示视频](https://www.bilibili.com/video/BV1f8qWYcEew/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=ff49aebe9f63248ee9e81ca05d813c39)

由于使用的是ZYNQ系列的芯片，PL和PS肯定是要雨露均沾，才能充分发挥这颗芯片的价值，也可以借此完全掌握ZYNQ一整套的开发。**第二阶段的开发计划如下**( 不开源 ， 购买配套硬件提供支持 )：

1. 将FOC封装成AXI接口
2. 将FOC IP挂载到PS侧，并且在裸机上进行调用
3. 将FOC IP挂载到PS侧，并且在Linux系统上进行调用

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当然如果大家对这套硬件比较感兴趣的话，可以通过淘宝店铺 **FPGA之旅**  获取

跳转链接 [淘宝链接](http://e.tb.cn/h.TVKMYdOnyG4NuNi?tk=5HuH3D7bPdi)

### 四. 程序框架

软件框架如下图所示，除了使用Vivado的VIO，ILA和clk-wiz(PLL)外，未使用其它任何IP，因此只要目标硬件资源满足，就可以轻松的移植。

![image-20241225161533279](https://gitee.com/whpUp/fpga-foc/raw/master/3.%20Image/%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E6%A1%86%E5%9B%BE.png)

想要驱动无刷电机光有FOC算法还不行，还需要一系列的外围必要功能的支持，可以根据框图模块的颜色大致分为五个部分:

1. 编码器和ADC驱动: 在有感FOC算法中，需要使用到编码器来获取电机的实际位置，而在力矩控制中，需要使用到ADC采集三相电流进行控制。AS5047P编码器模块支持SPI/ABZ/HALL(其中SPI和ABZ程序已经支持)三种接口，通过这三种接口可以实时获取到电机的角度、速度和位置信息。AD7928模块采样三相采样电阻上的电压值，然后将其转换为三相电流值。
2. 控制状态机: 根据VIO输入的电机运行状态协调辅助模块和FOC模块。
3. 辅助模块：主要有两个: 自测模块和校准模块。自测模块为了测试FOC算法运行正确和硬件电路无误。而校准校准则是检测编码器和磁铁的零偏以及电机的极对数。   
4. FOC模块： 根据电机运行模式，电机电流值和参数选择模块输入的角度等值进行FOC算法实现，最终输出三路PWM。
5. 串口输出模块: 将电机运行相关信息，例如 三相电流、运行速度等等，通过串口通讯上传至配套的上位机软件进行波形显示。



![image-20241225165316400](https://gitee.com/whpUp/fpga-foc/raw/master/3.%20Image/FOC%E6%A1%86%E5%9B%BE.png)

FOC部分的框图如上所示，基本上是一个串行的计算过程，也是严格按照FOC执行的流程一步一步来实现的，其中loop控制模块是FOC的三环控制模块，其中的核心是PID反馈模块。其中的原理就不一样介绍了，可以结合博文和C语言代码进行学习(C代码比较容易懂)。

整个FOC算法在ZYNQ7020上的资源消耗情况如下图所示，其中DSP使用到了比较多的DSP和LUT资源，最多能同时驱动5个无刷电机，这显然是与我设计的目标不相符的，因为接下来我要实现一个轮足机器人，需要同时驱动6个无刷电机以及一些其他外设。所以本次开源的目的是供大家参考学习，并不推荐使用(要求不高的话，使用也是没问题的)。**优化代码以及详细文档购买硬件后提供**。

![image-20241225170249674](https://gitee.com/whpUp/fpga-foc/raw/master/3.%20Image/%E8%B5%84%E6%BA%90%E6%B6%88%E8%80%97%E7%8E%87.png)

优化后的资源使用情况

![资源消耗率](https://gitee.com/whpUp/fpga-foc/raw/master/3.%20Image/%E4%BC%98%E5%8C%96.png)

如果大家对FPGA驱动无刷电机感兴趣，或者对这个方向感兴趣的话，可以点个star~~

同时如果大家对这套硬件比较感兴趣的话，可以在淘宝搜索店铺 **FPGA之旅** 进行购买。

或者直接点击[购买链接](https://e.tb.cn/h.TTfjfyg8x20HcGT?tk=FRJS3zC43bc ).进行购买 

感谢大家的支持。