FOC电机驱动开发踩坑记录

关键技术

SVPWM电机磁场控制
电流采样
park变换和Clark变换
滑膜观测器（无感FOC）

SVPWM电机磁场控制

SVPWM主要思想是通过精确的对UVW三相电流的分时控制，来控制转子的合成力矩，达到目标方向，常用的是6分区的设计，SVPWM是一种通过工程设计出来的处理程序，不是算法，主要参考实现的博客：
https://blog.csdn.net/qlexcel/article/details/74787619
示例代码：

// 使用查找表来替代三角函数的计算（示例，需要根据实际需要生成表格）
#define SIN_TABLE_SIZE 720 // 假设我们使用720项的查找表
float sinTable[SIN_TABLE_SIZE]; // 预先计算的正弦表
float cosTable[SIN_TABLE_SIZE]; // 预先计算的余弦表

// 初始化正弦和余弦查找表
void initTrigTables() {
    for (int i = 0; i < SIN_TABLE_SIZE; ++i) {
        sinTable[i] = sinf((TWO_PI * i) / SIN_TABLE_SIZE);
        cosTable[i] = cosf((TWO_PI * i) / SIN_TABLE_SIZE);
    }
}

void SVPWM(float Uq, float Ud, float angle) {
	if (Uq>0){
		angle = normalizeAngle(angle);
	}else{
		angle = normalizeAngle(angle);
	}
    // 使用查找表获取正弦和余弦表
   int index = (int)((angle / TWO_PI) * SIN_TABLE_SIZE) % SIN_TABLE_SIZE;
   float sin_angle = sinTable[index]; // sinf(angle_el);
   float cos_angle = cosTable[index]; // cosf(angle_el);
    float ua, ub;
    inverse_park_transform(Ud, Uq, &ua, &ub, cos_angle, sin_angle);
    float ts = 1.0;
    float udc = voltage_supply;
    float u1, u2, u3;
    inverse_clark_transflorm(ua, ub, &u1, &u2, &u3);

    int A = u1 > 0 ? 1 : 0;
    int B = u2 > 0 ? 1 : 0;
    int C = u3 > 0 ? 1 : 0;

    int N = 4 * A + 2 * B + C;
    int sector = 0;
    int sector_map[7] = {0, 6, 4, 5, 2, 1, 3}; // 0 index not used
    sector = sector_map[N];
    float K = SQRT3_OVER_2 * ts / udc;
    float t1, t2, t3, t4, t5, t6, t7, k;

    switch (sector) {
        case 1:
            t4 = u3 * K;
            t6 = u1 * K;
            if (t4 + t6 > ts) {
                k = ts / (t4 + t6);
                t4 *= k;
                t6 *= k;
            }
            t7 = (ts - t4 - t6) / 2.0;
            ta = t4 + t6 + t7;
            tb = t6 + t7;
            tc = t7;
            break;
        case 2:
            t2 = -u3 * K;
            t6 = -u2 * K;
            if (t2 + t6 > ts) {
                k = ts / (t2 + t6);
                t2 *= k;
                t6 *= k;
            }
            t7 = (ts - t2 - t6) / 2.0;
            tb = t2 + t6 + t7;
            ta = t6 + t7;
            tc = t7;
            break;
        case 3:
            t2 = u1 * K;
            t3 = u2 * K;
            if (t2 + t3 > ts) {
                k = ts / (t2 + t3);
                t2 *= k;
                t3 *= k;
            }
            t7 = (ts - t2 - t3) / 2.0;
            tb = t2 + t3 + t7;
            tc = t3 + t7;
            ta = t7;
            break;
        case 4:
            t1 = -u1 * K;
            t3 = -u3 * K;
            if (t1 + t3 > ts) {
                k = ts / (t1 + t3);
                t1 *= k;
                t3 *= k;
            }
            t7 = (ts - t1 - t3) / 2.0;
            tc = t1 + t3 + t7;
            tb = t3 + t7;
            ta = t7;
            break;
        case 5:
            t1 = u2 * K;
            t5 = u3 * K;
            if (t1 + t5 > ts) {
                k = ts / (t1 + t5);
                t1 *= k;
                t5 *= k;
            }
            t7 = (ts - t1 - t5) / 2.0;
            tc = t1 + t5 + t7;
            ta = t5 + t7;
            tb = t7;
            break;
        case 6:
            t4 = -u2 * K;
            t5 = -u1 * K;
            if (t4 + t5 > ts) {
                k = ts / (t4 + t5);
                t4 *= k;
                t5 *= k;
            }
            t7 = (ts - t4 - t5) / 2.0;
            ta = t4 + t5 + t7;
            tc = t5 + t7;
            tb = t7;
            break;
        default:
            ta = tb = tc = 0.0;
            break;
    }
	__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t)(ta/ts*MAX_DUTY_CYCLE));
	__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, (uint32_t)(tb/ts*MAX_DUTY_CYCLE));
	__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_3, (uint32_t)(tc/ts*MAX_DUTY_CYCLE));
}

电流采样

电机的三相电流采样有3种采样的方法，1种是3相电流全部采样，好处是能采到三相的实时真实电流，缺点是成本是最高的；第二种是2相电流采样，通过3相电流之和为0可以算出第3相的电流，好处是降低了一些成本，缺点是精度没有3相的高；第三种是在总的电路上采样总电流，通过算法算出3相电流的值，好处是成本是最低的，缺点是精度也是最差的；
电机的电流采样电阻的采样位置有3种：1. 输出电流采样，优点是能够实时采到三相电流，缺点是对于采样器件例如INI181的电压耐受范围有要求，电压承受能力不够可能会导致器件损坏；2. 低压区域采样，优点是对应器件的电压承受能力要求低，缺点是需要精确控制采样的时间，采样时间必须在H桥的下臂导通时进行采样，否则采样不到正确的电流；3. 母线电流采样，仅在有效矢量时刻进行电流采样，同样存在采样盲区。

park变换和Clark变换

park变换和Clark变换为经典的变换，可以从很多博客上看原理，代码示例如下：

 #include "main.h"
#include "tools.h"
#define SQRT3_OVER_2 0.866

void clark_transform(float u1, float u2, float u3, float *ualpha, float *ubeta){
	*ualpha = 0.66666*(u1 - 0.5*u2 - 0.5*u3);
	*ubeta = 0.6666*(u2*SQRT3_OVER_2 - SQRT3_OVER_2 * u3);
}

void inverse_clark_transflorm(float ualpha, float ubeta, float *u1, float *u2, float *u3){
	*u1 = ualpha;
	*u2 = -0.5*ualpha + SQRT3_OVER_2 * ubeta;
	*u3 = -0.5*ualpha - SQRT3_OVER_2 * ubeta;
}
void park_transform(float ialpha, float ibeta, float cos_angle, float sin_angle, float *id, float *iq){
	*id = ialpha * cos_angle + ibeta * sin_angle;
	*iq = -ialpha * sin_angle + ibeta *cos_angle;
}
void inverse_park_transform(float id, float iq, float *ialpha, float *ibeta, float cos_angle, float sin_angle){
	*ialpha = id * cos_angle - iq * sin_angle;
	*ibeta = id * sin_angle + iq * cos_angle;
}

滑膜观测器

通过使用上面的技术和代码，可以做到有感FOC的控制了，但是想要不使用转子位置传感器的话还要在控制时使用一些算法。常用的无感FOC控制算法有滑膜控制器、龙博格观测器，基本都是靠观测器加锁相环来实现对转子角度位置的估计，但是都会有一些问题，滑膜控制器的问题是可能会出现电机震荡，可以通过调整参数的大小来降低震荡的幅度但一定会有。滑膜变阻器的MATLAB仿真图如下：
在这里插入图片描述