06FOC 总体流程

采样、变换、电流环、SVPWM 闭环链路

学完应能回答

• 能背出每个 PWM 周期里依次发生的 7 件事（ADC 注入采样 → Clarke → Park → PI → 反 Park → SVPWM → 写 CCR）
• 能解释为什么 PI 要放在 dq 域而不是 abc 域（直流量 vs 交流量，零稳态误差）
• 能定位电流环 4 类典型故障：振荡（Kp/延迟）、Id-Iq 串扰（Δθ）、高速发软（缺解耦）、撞限不收（抗饱和）
• 能判断哪些代码必须放在 ADC ISR 里、哪些必须放到 1 kHz 低频任务里（按时间预算 < 10 μs）
• 理解 ADC 注入触发点必须放在 PWM 中点的硬件原因（电流处于纹波谷 + 桥臂稳态 000/111）
• 能用 Kp = ω_bw·L、Ki = ω_bw·R 算出 PI 起点，并解释为什么实测取 0.5-0.7 倍解析值
• 理解 ADC 采样 + CCR 预装载产生的 1.5 个 PWM 周期延迟为什么把电流环带宽锁死在 PWM/10~PWM/8

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零基础速入

为什么要学

• 不会 FOC，PMSM 调起来就是开环加点小聪明，转矩控不准、效率低、动态差。
• FOC 是新能源汽车驱动、伺服、机器人关节的工业标准。学会它你就能读懂 90% 的电机控制代码。
• 搞清楚流水线每一段后，遇到"电机抖动""启动失败"等问题能精准定位（采样？角度？PI？SVPWM？硬件？）

学习目标

• 串起采样、Clarke、Park、电流环、反 Park、SVPWM 和反馈角度
• 理解 FOC 流水线每段的输入输出
• 能定位电流环超调 / 振荡 / 串扰的根因

核心概念

• FOC 每个 PWM 周期做一次"小闭环"：采电流 → 算坐标 → 跑 PI → 算电压矢量 → 更新 PWM → 等待下一次反馈。
• 角度反馈可来自编码器或观测器；角度质量直接决定 dq 解耦质量。
• PI 在 dq 域工作（直流量），比直接控三相 AC 简单得多。
• 电流环带宽 ω_bw ≈ Kp / L，Ki / Kp = R / L 是临界阻尼起点。

公式

工程意义

• 流水线拆开后，"电机抖动"可以精确定位：采样错？角度错？PI 振荡？SVPWM 饱和？硬件直通？
• 电流环带宽决定速度环最大可用带宽。一般电流环 1-5 kHz，速度环 50-500 Hz，差 10× 才稳。
• 角度误差 Δθ 直接体现在 Iq 阶跃时 Id 跳一下：这是判断编码器零位是否对齐的实战手段。

STM32 移植指南

• PWM 中心对齐 16-20kHz，ADC 采样点放在 PWM 中点（电流纹波最小处），中断里完整跑完 FOC 链。
• TIM1/TIM8 + ADC1/ADC2 用 InjectedConv + DMA 双采，CPU 只在中断尾部处理（< 5μs）。
• 所有算法（Clarke/Park/PI/SVPWM）写成纯函数，主循环传引用，方便单元测试和移植。

常见误区

调试方法

• 按段冻结调试：先 ADC 校零（ia+ib+ic ≈ 0）→ 再开环转电压矢量看转子能否拖动 → 再上电流环 → 最后上速度环。
• 在 RTT/串口每个 PWM 周期记录 ia/ib/ic/iα/iβ/id/iq/vd/vq/duty 和 sector，跟波形发生器/示波器对照。
• 电流环超调先怀疑 Kp 太大或采样延迟过多；稳态误差先看 Ki 和限幅。

建议实验

• 把"角度误差 Δθ"从 0 拖到 ±15°，看 Iq 阶跃时 Id 出现峰值——这是 dq 串扰的物理表现。
• 把"电频率 ω"从 0 拉到 200Hz，看 Iq 上升过程中带"晃动"——这是交叉耦合 ω·L·iq 进入 vd 的结果。
• 把"采样延迟"从 1 拉到 4，相同 Kp 下振荡明显加重——延迟等效相位裕度损失。
• 加载"过激振荡"预设，再把 Kp 减半，对比超调减小。

STM32 C 代码骨架

/* ============================================
 * foc.c — FOC 中断主循环（运行在 PWM 16kHz ISR 内）
 * 适配 STM32G4 (Cortex-M4F + FPU)，单次执行 < 6 μs
 * ============================================ */
#include "foc.h"

static pi_state_t g_pi_d = { .integral = 0 };
static pi_state_t g_pi_q = { .integral = 0 };

void TIM1_UP_TIM16_IRQHandler(void) {
    if (TIM1->SR & TIM_SR_UIF) {
        TIM1->SR = ~TIM_SR_UIF;

        /* 1. 采样三相电流（ADC 注入序列已经触发） */
        float ia = adc_to_amps(ADC1->JDR1, g_offset.ia);
        float ib = adc_to_amps(ADC1->JDR2, g_offset.ib);
        float ic = -ia - ib;     // 三相和为零，省一路 ADC

        /* 2. 读电角度（编码器/观测器） */
        float theta_e = encoder_to_theta_e(
            ENCODER->CNT, g_param.encoder_zero, g_param.pole_pairs);
        float sin_t, cos_t;
        sincosf(theta_e, &sin_t, &cos_t);

        /* 3. Clarke：abc → αβ */
        float i_alpha = ia;
        float i_beta  = ONE_OVER_SQRT3 * (ia + 2.0f * ib);

        /* 4. Park：αβ → dq（同步旋转坐标） */
        float i_d =  cos_t * i_alpha + sin_t * i_beta;
        float i_q = -sin_t * i_alpha + cos_t * i_beta;

        /* 5. 电流 PI（在 dq 域，控直流量） */
        float v_d = pi_step(&g_pi_d, g_ref.id - i_d, g_param.kp, g_param.ki, DT);
        float v_q = pi_step(&g_pi_q, g_ref.iq - i_q, g_param.kp, g_param.ki, DT);

        /* 5b. 解耦前馈（高速时建议加，低速可省） */
        v_d -= 2.0f * M_PI * g_state.elec_freq * g_param.lq * i_q;
        v_q += 2.0f * M_PI * g_state.elec_freq * (g_param.ld * i_d + g_param.psi_f);

        /* 5c. 圆形限幅（SVPWM 线性区 ≈ Udc/√3） */
        float v_lim = g_state.udc * ONE_OVER_SQRT3 * 0.95f;
        float v_mag = sqrtf(v_d*v_d + v_q*v_q);
        if (v_mag > v_lim) { v_d *= v_lim/v_mag; v_q *= v_lim/v_mag; }

        /* 6. 反 Park：dq → αβ */
        float v_alpha = cos_t * v_d - sin_t * v_q;
        float v_beta  = sin_t * v_d + cos_t * v_q;

        /* 7. SVPWM：αβ → 三相占空比 */
        svpwm_t sv = svpwm_calc(v_alpha, v_beta, g_state.udc);

        /* 8. 写入 CCR（下一个 PWM 周期生效） */
        TIM1->CCR1 = (uint16_t)(sv.duty_a * TIM1->ARR);
        TIM1->CCR2 = (uint16_t)(sv.duty_b * TIM1->ARR);
        TIM1->CCR3 = (uint16_t)(sv.duty_c * TIM1->ARR);
        __DSB();
    }
}

下一步

• 深入 SVPWM 模块，看反 Park 的 Uα/Uβ 怎么变成 6 个开关状态加零矢量。

随堂题

相关公式索引