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FOC控制电机流程

2026/04/19 5 min read NOTE 类 论文项目 项目 毕业论文 FOC电机控制 毕业论文

FOC（磁场定向定向控制）驱动电机的完整流程可分为 6 个核心步骤，每个步骤对应具体代码实现，最终实现电机的高精度转速控制。以下是详细流程及代码对应关系：

FOC 控制电机的完整流程（结合代码）

步骤 1：硬件初始化（为 FOC 控制做准备）

作用：初始化 GPIO、PWM、串口、传感器等硬件，确保 FOC 算法能正常获取反馈和输出控制信号。

对应代码：

c

运行

// 主函数中的初始化
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);  // 使能GPIO时钟（控制驱动板使能等）
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);                  // 配置GPIO为推挽输出（如驱动板使能引脚）
Serial_Init(115200);                                  // 初始化串口（调试用）
AD_Init();                                             // 初始化ADC（电流采样，FOC可选）
FOC_Init(12.6);                                        // 核心FOC初始化（含PWM、传感器、校准）
Systick_CountMode();                                   // 初始化SysTick（计时用，计算转速）
 
// FOC_Init内部调用（DFOC.c）
void FOC_Init(float power) {
  voltage_power_supply = power;  // 记录电源电压（12.6V）
  PWM_Init();                    // 初始化PWM定时器（TIM2、TIM3，生成15kHz PWM波）
  AS5600_Init();                 // 初始化AS5600磁编码器（I2C通信，读取角度）
  Check_Sensor();                // 电机零位校准（关键：建立电角度基准）
}

关键细节：

  • PWM_Init()配置 6 路 PWM 输出（M0：PA0/PA1/PA2；M1：PA3/PA6/PA7），用于控制三相全桥驱动电路。
  • AS5600_Init()初始化 I2C 接口，读取电机转子的机械角度，为后续电角度计算提供原始数据。
步骤 2：电机零位校准（建立电角度基准）

作用：FOC 控制需要准确的 “转子电角度”（与磁场方向对应），通过校准记录电角度零位，消除机械角度与电角度的偏差。

对应代码（DFOC.c 中的Check_Sensor函数）：

c

运行

void Check_Sensor(void) {
  // M0电机校准
  SetPhaseVoltage(&M0, 3, _3PI_2);  // 输出固定电压矢量（3V，电角度270°），锁定转子
  delay_ms(3000);                   // 等待转子稳定
  M0_zero_elc_Angle = M0_electricAngle();  // 记录此时的电角度作为零位
  SetPhaseVoltage(&M0, 0, _3PI_2);  // 关闭输出
  
  // M1电机校准（同上）
  SetPhaseVoltage(&M1, 3, _3PI_2);
  delay_ms(3000);
  M1_zero_elc_Angle = M1_electricAngle();
  SetPhaseVoltage(&M1, 0, _3PI_2);
}
 
// 计算当前电角度（机械角度→电角度转换）
float M0_electricAngle(void) {
  // 机械角度×极对数×方向 - 零位补偿 → 归一化到0~2π
  return normalizeAngle((GetAngle_NoTrack(&Angle_Sensor0) * M0_PP * M0_DIR) - M0_zero_elc_Angle);
}

关键细节：

  • 电角度 = 机械角度 × 极对数（M0_PP=7） ± 零位补偿，反映转子磁场的电气角度。
  • 校准后，M0_zero_elc_Angle和M1_zero_elc_Angle作为后续电角度计算的基准。
步骤 3：设置目标转速（主循环入口）

作用：确定电机需要运行的转速（单位：rad/s），作为闭环控制的输入。

对应代码（主函数循环）：

c

运行

while(1) {
  M0_Set_Velocity(3*2*PI);  // M0目标转速：3圈/秒（2π rad=1圈，故3×2π rad/s）
  M1_Set_Velocity(3*2*PI);  // M1目标转速：3圈/秒
}

关键细节：

  • 目标转速通过M0_Set_Velocity函数传入，后续步骤将围绕 “跟踪该目标” 展开。
步骤 4：获取电机实际状态（角度与转速）

作用：通过传感器实时检测电机当前的机械角度，计算实际转速，作为闭环控制的反馈。

对应代码（DFOC.c 中的M0_Set_Velocity函数及依赖函数）：

c

运行

void M0_Set_Velocity(float Target) {
  // 1. 读取实际转速（经低通滤波平滑）
  Angle_Sensor0.velocity = Lowpassfilter(&M0_VEL_Filter, GetVelocity(&Angle_Sensor0));
  // 2. 后续步骤：根据目标与实际转速的误差计算控制量
  // ...
}
 
// 获取转速（AS5600.c）
float GetVelocity(struct AS5600_Sensor *AS5600_Vel) {
  float dt = 0.0;
  uint32_t Vel_ts = SysTick->VAL;  // 读取当前SysTick值（计时）
  // 计算两次采样的时间间隔dt（单位：秒）
  if(Vel_ts < AS5600_Vel->Last_Vel_ts) 
    dt = (AS5600_Vel->Last_Vel_ts - Vel_ts)/9*1e-6f;
  else 
    dt = (0xFFFFFF - Vel_ts + AS5600_Vel->Last_Vel_ts)/9*1e-6f;
  
  // 计算角度变化量，转速=角度差/时间（rad/s）
  float Vel_Angle = GetAngle(AS5600_Vel);  // 获取当前角度
  AS5600_Vel->velocity = (Vel_Angle - AS5600_Vel->Vel_Last_Angle)/dt;
  
  // 更新历史数据
  AS5600_Vel->Last_Vel_ts = Vel_ts;
  AS5600_Vel->Vel_Last_Angle = Vel_Angle;
  return AS5600_Vel->velocity;
}

关键细节：

  • 转速通过 “角度差 ÷ 时间间隔” 计算，Lowpassfilter用于过滤噪声，使转速更平滑。
  • GetAngle函数会处理角度的 “圈数累积”（如转子转过 3 圈，角度 = 3×2π + 当前机械角度）。
步骤 5：速度环 PID 控制（计算所需电压）

作用：根据 “目标转速” 与 “实际转速” 的误差，通过 PID 算法计算出需要输出的电压（q 轴电压Uq，控制电机转矩）。

对应代码（DFOC.c 中的M0_Set_Velocity函数）：

c

运行

void M0_Set_Velocity(float Target) {
  // 1. 读取实际转速（步骤4已完成）
  Angle_Sensor0.velocity = Lowpassfilter(&M0_VEL_Filter, GetVelocity(&Angle_Sensor0));
  
  // 2. 计算PID输出（Uq：q轴电压，控制转矩）
  float Uq = PID_Controller(&M0_VEL_PID, M0_DIR*(Target - Angle_Sensor0.velocity));
  
  // 3. 输出电压到电机（步骤6）
  SetPhaseVoltage(&M0, Uq, M0_electricAngle());
}
 
// PID算法（PID_Control.h）
float PID_Controller(struct _PID *pid, float error) {
  float Ts = 0.001f;  // 控制周期（约1ms）
  // 比例项：Kp×误差
  float proportion = pid->Kp * error;
  // 积分项：Ki×误差×时间（累积误差）
  float intergration = pid->Last_intergration + pid->Ki * 0.5f * Ts * error;
  // 微分项：Kd×(当前误差-上一次误差)/时间（抑制超调）
  float differential = pid->Kd * (error - pid->Last_Error) / Ts;
  
  // 总输出：比例+积分+微分
  float Output = proportion + intergration + differential;
  // 限幅（避免电压过大）
  Output = _constrain(Output, -voltage_limit, voltage_limit);
  
  // 更新历史数据
  pid->Last_Error = error;
  pid->Last_intergration = intergration;
  return Output;
}

关键细节：

  • Uq是 FOC 控制的核心变量，与电机转矩成正比（Uq越大，转矩越大，转速越高）。
  • PID 参数（Kp=0.4，Ki=2）决定了转速跟踪的快速性和稳定性。
步骤 6：FOC 坐标变换与 PWM 输出（驱动电机）

作用：将 PID 输出的Uq（旋转坐标系下的电压）通过坐标变换转换为三相 PWM 信号，控制电机绕组电流。

对应代码（DFOC.c 中的SetPhaseVoltage和SetPwm函数）：

c

运行

// FOC核心变换：将Uq转换为三相电压
void SetPhaseVoltage(struct Motor_ *Motor, float Uq, float angle_el) {
  // 1. Park逆变换：旋转坐标系→静止坐标系（Uq→Ualpha、Ubeta）
  Motor->Ualpha = -Uq * sin(angle_el);  // angle_el为当前电角度
  Motor->Ubeta = Uq * cos(angle_el);
  
  // 2. Clark逆变换：静止坐标系→三相坐标系（Ualpha、Ubeta→Ua、Ub、Uc）
  // 叠加电源电压的1/2，适配单极性PWM
  Motor->Ua = Motor->Ualpha + voltage_power_supply / 2;
  Motor->Ub = (sqrt(3)*Motor->Ubeta - Motor->Ualpha) / 2 + voltage_power_supply / 2;
  Motor->Uc = -(Motor->Ualpha + sqrt(3)*Motor->Ubeta) / 2 + voltage_power_supply / 2;
  
  // 3. 输出PWM
  SetPwm(Motor->Mot_num, Motor->Ua, Motor->Ub, Motor->Uc);
}
 
// 将三相电压转换为PWM占空比
void SetPwm(int Mot_num, float Ua, float Ub, float Uc) {
  // 限幅：确保电压不超过电源电压
  Ua = constrain(Ua, 0.0f, voltage_limit);
  Ub = constrain(Ub, 0.0f, voltage_limit);
  Uc = constrain(Uc, 0.0f, voltage_limit);
  
  if(Mot_num == 0) {  // M0电机PWM设置
    // 占空比 = 相电压 / 电源电压 → 转换为TIM定时器的比较值（周期4800）
    M0_PWM_A(M0.dc_a * 4800.0f);  // TIM2_CH1（PA0）
    M0_PWM_B(M0.dc_b * 4800.0f);  // TIM2_CH2（PA1）
    M0_PWM_C(M0.dc_c * 4800.0f);  // TIM2_CH3（PA2）
  }
  // M1电机同理...
}

关键细节：

  • Park 逆变换：将旋转坐标系（与转子同步）的Uq转换为静止坐标系的Ualpha、Ubeta，消除旋转耦合。
  • Clark 逆变换：将两相电压转换为三相电压，直接对应电机的 A、B、C 三相绕组。
  • PWM 占空比与相电压成正比，最终通过 TIM 定时器输出 PWM 波，控制驱动电路的 MOS 管导通 / 关断，驱动电机旋转。

总结：FOC 控制的核心逻辑

FOC 通过 “磁场定向” 将三相电机的复杂控制简化为 “转矩（Uq）” 和 “励磁（通常为 0）” 的独立控制，结合代码的完整流程为：

硬件初始化 → 零位校准（建立电角度基准） → 设置目标转速 → 检测实际转速 → PID计算Uq → FOC变换→三相PWM → 驱动电机 → （循环反馈调整）