FOC_TEST

---

FOC无刷电机控制例程

一、项目概述

本仓库是一个从零开始的永磁同步电机（PMSM/BLDC）FOC（磁场定向控制）开发例程，旨在实现一套完整、可移植的FOC控制系统。代码结构清晰，分阶段实现各功能模块，适合学习和实际项目参考。

---

二、工程演进路线

本工程采用分步验证、逐步集成的开发策略，按以下路线推进：

第一阶段：基础闭环控制

电流闭环 → 霍尔角度闭环 → 速度闭环

阶段	闭环类型	依赖传感器	目标
1.1	电流闭环	ADC三相采样	实现IQ/ID电流的稳定控制
1.2	角度闭环	霍尔传感器	获取转子角度，完成Park变换
1.3	速度闭环	霍尔+电流	实现速度-电流双闭环控制

第二阶段：高精度编码器控制

编码器角度闭环 → 编码器速度闭环 → 编码器位置闭环

阶段	闭环类型	依赖传感器	目标
2.1	角度闭环	磁编码器/光电编码器	高精度角度反馈
2.2	速度闭环	编码器角度微分	高精度速度控制
2.3	位置闭环	编码器积分+位置环	伺服级位置控制

第三阶段：无感控制

无感观测器引入

阶段	技术方案	目标
3.1	滑模观测器(SMO)等	中高速无感运行
3.2	高频注入(HFI)	零速/低速无感运行（扩展目标）

---

三、FOC控制原理

3.1 核心思想

FOC控制的核心思想是：通过坐标变换，将三相交流电机的非线性、强耦合模型，转化为直流电机的线性、解耦模型进行控制。

具体实现路径：

• Clark变换：将三相静止坐标系（Ia, Ib, Ic）变换到两相静止坐标系（Iα, Iβ）
• Park变换：将两相静止坐标系（Iα, Iβ）变换到两相旋转坐标系（Iq, Id）

变换后的效果：

• Iq（转矩电流）：与转子磁场垂直，负责产生扭矩
• Id（励磁电流）：与转子磁场平行，负责调节磁场（通常控制为0）

由于变换后得到的是直流分量，非常适合用PID控制器进行调节。本工程采用绝对式PID（即位置式PID），直接输出控制量，无累积误差风险。

3.2 逆变器驱动：SVPWM

变换后的Iq/Id指令通过反Park变换和反Clark变换，重新生成三相电压指令。这些指令通过SVPWM（空间矢量脉宽调制）算法，转化为六路PWM波形驱动三相逆变器。

SVPWM的优势：

• 母线电压利用率高（比SPWM高约15%）
• 谐波失真小，电流波形更正弦
• 理论上可生成任意方向、任意幅值的电压矢量（分辨率受PWM精度限制）

发波方式：本工程采用七段式SVPWM，相比五段式，虽然开关次数略多，但电流波形更平滑，谐波性能更好。

---

四、电流采样关键设计

4.1 采样方案

三相电流采样采用三电阻方案（根据硬件配置），通过ADC采集注入组实现。

4.2 采样时机

关键设计：采样点选在PWM周期的中间时刻。

中心对齐PWM波形（互补驱动）：

上桥原始PWM（模式1）： 高电平 ┌─────┐          ┌─────┐
                          │     │          │     │
                          ┘     └──────────┘     └

下桥互补PWM：                     ┌──────────┐
                                │          │
                          ┘─────┘          └─────┘    
                                      ↑
                                采样点（中间时刻）

为什么在中间时刻采样？

• 此时下桥NMOS处于导通状态（互补PWM为高电平）
• 相电流稳定，无开关噪声干扰
• 采样值最能代表该PWM周期内的平均电流

NMOS导通逻辑：NMOS为高电平导通，下桥互补PWM的中间高电平区间恰好对应下桥导通窗口。

---

五、核心难点：实时电角度的获取

这是FOC控制中最关键、也最容易出问题的环节。

5.1 为什么电角度如此重要？

FOC的所有坐标变换（Park/反Park）都依赖电角度θ。角度不准会导致：

问题	后果
角度偏差	Iq/Id无法正确解耦，转矩脉动增大
角度滞后	电流相位滞后，效率下降
角度跳变	电流突变，可能触发过流保护
角度丢失	电机失步，无法继续运转

5.2 不同阶段的角度获取方式

阶段	角度来源	精度	难点
霍尔角度闭环	霍尔传感器（60°分辨率）	低	需要插值算法平滑角度
编码器角度闭环	磁编码器/光电编码器	高	需要初始位置标定
无感观测器	滑模观测器(SMO)估算	中	低速区失效，需高频注入辅助

5.3 角度的实时性要求

在一个FOC控制周期内（通常为PWM周期，如10kHz = 100μs），需要完成：

1. 读取当前角度
2. 执行电流采样
3. 完成Clark/Park变换
4. 执行PID计算
5. 完成反Park/反Clark变换
6. 更新SVPWM占空比

其中角度获取不能成为瓶颈。任何延迟都会导致控制滞后，影响系统稳定性。

5.4 角度处理的常见问题与对策

问题	对策
角度跳变（如霍尔60°步进）	采用低通滤波或角度预测插值
角度量化噪声（低分辨率编码器）	采用滑动平均或卡尔曼滤波
角度微分求速度时的噪声放大	使用带限幅的差分或跟踪微分器
编码器零点偏移	上电时执行角度校准流程

---

六、后续优化方向

• [ ]