【84】004 开环Foc驱动无刷电机

1 引言

        本博客是为了记录自己在无人机公司中，所涉及的技术栈，博客既是记录自己的成长轨迹，亦是总结所学，便于后续持续学习进步。

        实验使用到了STM32F407 + EG2133三相独立半桥驱动芯片 + MT6701磁性角度编码器芯片 + 无刷电机(10对极)无刷电机，本博客记录的是Foc开环驱动无刷电机转动实验过程，记录可能理解浅薄，请多包涵。

2 实验记录

        在进行开环foc驱动无刷电机过程中，遇到的记录点如下。

（1）foc驱动无刷电机转动，无需校准转子位置，转子在任何位置都可以。

        原因是foc开始驱动转子转动时，首先通过软电角度生成器不断累计角度，磁场矢量随之旋转，在未来的某一刻总能抓住转子，驱动转子转动。

时间轴：
t=0: 磁场在0°，转子在30° → 夹角30°，有微弱力矩
t=1ms: 磁场转到10°，转子还在30° → 夹角20°，力矩增大
t=2ms: 磁场转到20°，转子开始跟随 → 夹角变小，进入同步

（2）foc驱动无刷电机，需要增加软角度生成器，使得转子先转动起来。

        原因是转子初始时是静止的，此时即使角度传感器，但因为转子未转动，此时得到的角速度就是0 rad/s。如果将0 rad/s输入clark和park变换，那么得到的输出是一个定值，磁场矢量不会旋转变化，就无法驱动转动转动。因此需要实现一个软件角度生成器，逐步累加角度，然磁场缓慢变化，用以驱动转子转动。

（3）软角度生成器注意点

1	角度生成速度不宜过快，此会导致转子跟不上变化的旋转磁场
2	公式：θ = current_rad_s + ∫ accel*dt
3	注意单位，rad_s那么积分的时间也必须是s，如果获取的是ms或us，那么也要转换成s才行
4	开环foc驱动时，目标角速度不要太大，否则会失速

（4）代码说明

// 本实验中pwm周期是10KHz ，故每次进入motorTsk_foc_open_update函数都是0.1ms

void motorTsk_foc_open_update(void)

{

    ......

    // ===== 1. 计算实际时间步长 =====
    curr_tick_us = fc_timer_get_us();
    if (last_tick_us == 0)
    {
        last_tick_us = curr_tick_us;
        return;
    }

    // 单位需是s
    dt = (float)(curr_tick_us - last_tick_us) / 1000000.0f;
    if (dt > 0.001f)  dt = 0.001f;  // 防跳变

    last_tick_us = curr_tick_us;
    // ===== 2. 角速度缓慢加速（软启动） =====
    if (current_speed_rad_s < target_speed_rad_s)
    {
        current_speed_rad_s += accel * dt; // 积分
        if (current_speed_rad_s > target_speed_rad_s)
        {
            current_speed_rad_s = target_speed_rad_s;
        }
    }

    // ===== 3. 角度累加（平滑） =====
    s_elc_angle_rad += current_speed_rad_s * dt; // 角速度对时间积分得到角度
    if (s_elc_angle_rad > 6.2832f)  s_elc_angle_rad -= 6.2832f; // 弧度归一化
    

    // 进行clark变换和park变换

    ......

}

3 实验代码

 完整的代码在：git clone https://gitee.com/a1410898565/foc_pro.git

代码片段如下：

void motorTsk_foc_open_update
(
    void
)
{
    static float        angle_rad               = 0.0f;
    static float        motor_voltage           = 0.8f;      // 电压幅值 (0.0~1.0)
    static uint32_t     last_tick_us            = 0;
    uint32_t            curr_tick_us            = 0;
    float               dt                      = 0.0f;
    static float        current_speed_rad_s     = 0.0f;
    float               target_speed_rad_s      = 1000.0f;  // 目标速度 2000 rad/s (≈191 RPM)
    float               accel                   = 200.0f;   // 软启动加速度 200 rad/s²


    // ===== 1. 计算实际时间步长 =====
    curr_tick_us = fc_timer_get_us();
    if (last_tick_us == 0)
    {
        last_tick_us = curr_tick_us;
        return;
    }

    // 此中断是10kHz中断时间是0.1ms
    // 15438802us - 15436320us = 2482us
    // 2.482ms =  2482us /1000
    // 0.002482s =  2482us /1000000
    dt = (float)(curr_tick_us - last_tick_us) / 1000000.0f;
    if (dt > 0.001f)
    {
        dt = 0.001f;  // 防跳变
    }
    last_tick_us = curr_tick_us;

    // ===== 2. 缓慢加速（软启动） =====
    if (current_speed_rad_s < target_speed_rad_s)
    {
        current_speed_rad_s += accel * dt;
        if (current_speed_rad_s > target_speed_rad_s)
        {
            current_speed_rad_s = target_speed_rad_s;
        }
    }

    // ===== 3. 角度累加（平滑） =====
    s_elc_angle_rad += current_speed_rad_s * dt;
    if (s_elc_angle_rad > 6.2832f)
    {
        // 弧度归一化
        s_elc_angle_rad -= 6.2832f;
    }

    // ===== 4. clark 和 park变换 =====
    foc_clark_and_park_transf(PWM_HALF*0.2, 0.0f, s_elc_angle_rad, &s_duty_a, &s_duty_b, &s_duty_c);

    s_duty_a += PWM_HALF;
    s_duty_b += PWM_HALF;
    s_duty_c += PWM_HALF;

    // ===== 5. 限制占空比 =====
    s_duty_a = CONSTRAIN_VALUE(s_duty_a, PWM_MIN, motor_voltage*PWM_FULL);
    s_duty_b = CONSTRAIN_VALUE(s_duty_b, PWM_MIN, motor_voltage*PWM_FULL);
    s_duty_c = CONSTRAIN_VALUE(s_duty_c, PWM_MIN, motor_voltage*PWM_FULL);

    // ===== 6. 更新PWM =====
    TIM1->CCR1 = (uint32_t)s_duty_a;
    TIM1->CCR2 = (uint32_t)s_duty_b;
    TIM1->CCR3 = (uint32_t)s_duty_c;
}

4 实验记录

        下图所示为本实验驱动转动效果。