关于FOC的一点点想法，基于STM32F103VET6的开发实现

yexiachensi11

（一）背景

      打算学习无感的FOC。在电机控制方面深入研究一下，同时用手边的资源全部自己实现一遍。本人对FOC的算法，也是一知半解，很多细节的地方，还没搞明白，那么就想在自己实现的过程中，边调试变弄清楚。
      参考文档，microchip的AN1078。全部算法来源于此。
      硬件资源：手边有一块STM32F103VET6的核心板，还有两块BLDC的驱动板。就用这两个板子，飞线跳线之类的搞出一个FOC控制器。
先说说FOC要实现的点吧：
FOC─┐
        ├─PI调节器
        ├─坐标转换
         |        ├─park
         |        ├─clarke
         |        ├─inv park

         |        └─inv clarke
        ├─SVPWM
        ├─位置估算器

                 ├─电机模式公式
                 ├─滑膜控制器
                 ├─低通滤波器
                 ├─三角函数
                 ├─积分
                 └─系数更新算法
接下来就是按照上面的点，一边组织代码一边调试。
（二）驱动实现
（三）SVPWM实现
（四）坐标转换、PI调节器
（五）SVPWM调试
（六）滑膜估算器的实现
（七）滑膜估算器调试
（八）滑膜估算器整体功能调试
（九）算法性能测试

（十）PLL控制器学习
（十一）PLL估算器实现
（十二）PLL估算器调试
（十三）PLL估算器性能测试

当年自动控制没有学好，太可惜了。现在研究这些是个庞大的工作。

yexiachensi11

（二）驱动实现
    ├中断
    ├TIM1：电机控制主定时器
     |  ├周期设置
     |  └占空比设置
    ├ADC：电机电流采样
     | └DMA更新变量值，触发DMA传输完成中断
    ├GPIO
    ├DMA
    ├TIM6：通用状态切换
预想的驱动方案是这样的：
==>:触发流
──>:数据流

TIM1─┬─CCR1<──────────────────────┐
         ├─CCR2<──────────────────────┤
         ├─CCR3<──────────────────────┤
         ├─CCR4==>ADC1──>DMA──>MEMORY     │
         │   ↑                                                       │
         │   └─────────────────────────┤
         ├─Underflow Event==========>DMA<──MEMORY

单片机的主频72MHz，TIM1设置为中间对齐模式，周期设置为16kHz，CCR1~3通道设置PWM的占空比，CCR4用来触发ADC的电流采样。
仔细研究了STM32F10x的编程手册，有两点不合适：
1、TIM1的CCR4通道只能触发注入组的ADC采样；
2、ADC注入通道采样结束不能触发DMA，只有规则采样才能触发DMA；
3、TIM1的溢出事件能够触发DMA从内存读取占空比数值传输到CCR1~4寄存器，但是DMA不支持突发传输，也就是每次的溢出事件只能触发DMA更新一个CCRx寄存器的值。
        所以只能牺牲性能，采用中断方式：
TIM1─┬─CCR1<──────────────────────┐
         ├─CCR2<──────────────────────┤
         ├─CCR3<──────────────────────┤
         ├─CCR4==>ADC1──>中断处理                  │
         │   ↑                                                       │
         │   └─────────────────────────┤
         ├─Underflow Event==========>中断更新CCR1~4
实际测试TIM1 的中断更新寄存器，会有接近1μs的延时,暂时先将就一下吧。16kHz的PWM波频率，一个周期62.5μs，与1μs相比，在工程上是可以近似忽略的哈。

三叶草

支持一下

yexiachensi11

（三）SVPWM实现（上）      懂得矢量控制的原理、六个扇区、矢量合成等概念的话，把SVPWM用C语言实现出来并不难。简单点来说，输入参数是inv clarke(clarke反变换)的输出值Va、Vb、Vc。根据Va、Vb、Vc的正负号判断扇区位置。根据Va、Vb、Vc的大小确定本扇区相邻的这两个矢量的作用时间。
1、驱动层的实现
      原理上有两种实现方式：零矢量集中、零矢量分散。而且零矢量集中的方式能够减少开关损耗。但是零矢量分散的方式又能够减少高次谐波。这里我实现的是零矢量分散的方式。
使用TIM1定时器，中心对齐。如下图。

      驱动的输入参数就是TIM1_CH1~TIM1_CH4通道的比较匹配值。
2、实现层
      首先要澄清的是，PWM的占空比跟SVPWM的占空比不是一个概念。PWM的占空比的值就是每个通道的比较匹配值；SVPWM的占空比就是有效矢量占PWM周期的时间。PWM周期的时候由有效矢量的时间和零矢量的时间组成。接下来的实现步骤就很明确了，实现层就是要计算有效矢量的时间。有效矢量又是由两个矢量组成，那么就分别计算出两个矢量分别占用的时间，再计算每个通道的比较匹配值。3、代码
      参考了microChip、ST的SVPWM实现方式，相同的是都把clarke反变换跟SVPWM实现集合到一个函数中实现了。变换阵的系数通过推导都是一致的，区别是符号以及矩阵的列不同。
microChip的clarke反变换阵：
┏ Va ┓ ┏ 0     1 ┓ ┏ Vα ┓

┃Vb  ┃〓┃-1/2 (√3)/2┃·┃Vβ  ┃

┗Vc  ┛ ┗-1/2 -(√3)/2┛ ┗     ┛

ST的clarke反变换阵：
┏ Va ┓ ┏ 0     -1 ┓ ┏ Vα ┓

┃Vb  ┃〓┃(√3)/2 -1/2┃·┃Vβ  ┃

┗Vc  ┛ ┗-(√3)/2 -1/2┛ ┗    ┛

变换阵的不同，影响后面的扇区判断。

      目前我实现了三角函数的计算、park、clarke的变换和反变换、SVPWM这几个函数。准备测试一下SVPWM的功能。尤其要注意的是浮点数转换成定点数的Q格式数据转换，以及Q格式数据的加减乘除运算。例如两个Q15格式数据相乘结果是Q30格式，要除以32768，回到Q15格式，再进行加减法运算。

      设置Vq = Vd = 60000,θ角从0到65535，即0到2π。在QT上先进行测试，得到的波形如下：

把占空比放大：

扇区放大图：

目前还不确定在硬件上能否推动电机转动，看扇区输出，是一个完整的圈。如果有问题，那么下一章会完全推翻这章的描述。接下来就是在硬件上测试了。

yexiachensi11

yexiachensi11 发表于 2020-11-2 18:39
（三）SVPWM实现（上）      懂得矢量控制的原理、六个扇区、矢量合成等概念的话，把SVPWM用C语言实现出来 ...

（三）SVPWM实现（下）
我又来续贴了。
SVPWM的水还挺深的。哈哈。经过这几周的继续学习，发现上篇文章太浅薄了。仅仅提供个思路而已。真正要实现出来，还需要很多计算。
废话不多说，上干货：
1、扇区判断。
判断的依据是arctan(Uβ/Uα)的值。
如图扇区判断：
根据扇区判断图的第三列可得到两个公式，再结合Uβ就可以判断出处于哪个扇区了。
2、计算所在扇区的两个矢量作用时间。
这个就是平面几何以及三角函数计算了。有个要点，假设Uref为合成矢量，要把Uref用含有Uα、Uβ的三角函数表示出来，那么就把矢量作用时间通过Uα、Uβ表示出来了。
继续上图每个扇区相邻两个矢量的作用时间图：
3、计算矢量切换时间点：
如图矢量切换时间点切换。
4、还有两点比较重要：Q数据格式一定要对齐，一致。此外公式中(√3 * T / Udc),可先忽略除以Udc，并加入母线电压系数(√3 * T / UBUS_GAIN)，用来调整Ud、Uq从0~1之间变换对应（一个周期内有效矢量时间/T）的占空比为0~100%。
5、最后再上波形图和电机转动图

yexiachensi11

接下来该研究观测器啦。激动

yexiachensi11

yexiachensi11 发表于 2020-11-2 18:39
（三）SVPWM实现（上）      懂得矢量控制的原理、六个扇区、矢量合成等概念的话，把SVPWM用C语言实现出来 ...

该层的图片，大部分都是有问题的，不要参考啊

f1174562

没用ST的MC SDK，楼主值得钦佩。

yexiachensi11

(四) 上  坐标转换
坐标转换包括，park变换、clarke变换，反park变换。从理解的角度讲，坐标变换是最容易理解的。可以从平面几何的角度来推导转换矩阵。在此就略过了。
程序处理的流程：采集相电流---》电流clarke变换---》根据上一次计算的角度进行电流park变换---》根据本次的电流、上次的电压进行估算新的角度值---》电流PI调节器---》根据新的角度值进行电压反park变换---》SVPWM计算。

clarke变换：
ia+ib+ic=0
iα=ia
iβ=（ia+2ib）/√3


park变换：
id= iαcosθ+iβsinθ
iq=-iαsinθ+iβcosθ

反park变换：
Vα=Vdcosθ-Vqsinθ
Vβ=Vdsinθ+Vqcosθ


反clarke变换不需要。SVPWM模块，直接用Vα、Vβ得出扇区和占空比大小。虽然根据Vα、Vβ计算出三个值用来判断和计算，我个人观点是，那个思路不是变换的思路，是三角函数的推导。

(四) 下  PI调节器
本人之前已经了解了PID算法，在此暂不占空讨论。
附上增量式PID公式：
U(k) = U(k-1) + K * [e(k)-e(k-1)] + P * e(k) +D * [e(k) - 2*e(k-1) + e(k-2)]

yexiachensi11

（五）SVPWM调试
在（三）SVPWM实现中已有部分描述。1、注意Q格式一致性；
2、变量的类型与强制转换；
3、注意怎么实现Vq∈（0，1）对应的“占空比”∈（0,100）；

loudianxin

占楼学习   感谢

pg13

最近也在搞foc，基本框架写完了，之前画的板子采样电阻有点问题，等新板子到，把pi调一下，估计就可以了

soosos213

实力够猛，我是直接用官方的库