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# 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。

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## 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） |

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## 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。

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## 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。

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## 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       |

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## 六、后续优化方向

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