手寫STM32 FOC記錄-FOC + SVPWM

Source: https://www.bilibili.com/read/cv26263543/

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FOC控制演算法框圖：
咋一看FOC控制框圖可能會發現不知道從哪入手，可以回想一下直流有刷電機的學習過程，首先是讓電機轉起來，然後進行速度控制，再進一步進行位置控制，同樣我們在FOC學習過程中依然可以這樣做，我們首先將位置環和速度環甚至是電流環去掉，然後就剩下SVPWM，既然只是讓電機轉起來那麼電流檢測也不需要了，我們就直接給電壓，開環運行，這時候控制框架就能簡化成下圖。
逐一實現框圖中的每一個模組，首先是Park逆變換，將DQ座標系轉換成αβ座標系，如下：

用C語言程式碼實作它：

/************************************************* ************************************************** *******
park逆變換，輸入Uq、Ud得到Ualpha、Ubeta
Uα = Ud · cosθ - Uq · sinθ
Uβ = Ud · sinθ + Uq · cosθ
************************************************** ************************************************** ******/

void inverseParkTransform(DQ_Def *dq, AlphaBeta_Def *alphaBeta, float angle)
{
    float cosAngle = cos(angle);
    float sinAngle = sin(angle);
 
    alphaBeta->alpha = dq->d * cosAngle - dq->q * sinAngle;
    alphaBeta->beta = dq->d * sinAngle + dq->q * cosAngle;
}

接下來便是FOC控制最複雜也是最難理解的一部分SVPWM，不介紹SVPWM原理，網路上關於SVPWM的資料超多，需要的時候自行查閱。這裡只針對我的理解，結合我寫的程式碼來說明具體的實作過程。
第一步，計算u1、u2、u3。透過park逆變換得到的alpha，beta，計算得出u1、u2和u3，我理解這個其實是克拉克逆變換
第二步，扇區判斷。根據u1、u2和u3的正負情況來決定所處的扇區。根據U1,U2,U3的符號計算N=4C+2B+A，再結合扇區表判斷所處的扇區，N的取值和對應的扇區關係如下表：
第三步，計算基本向量電壓作用時間（佔空比），根據扇區確定相鄰兩個基本向量電壓及其作用時間，然後對作用時間進行等比例縮小處理，使得總的作用時間等於Ts採樣時間，或總的佔空比等於1，這樣計算出來的資料ta,tb,tc就是佔空比，剛好與PWM的輸出對應。這部分相對較複雜，這裡不做描述，請查閱專業的資料。推薦一篇部落格：https://blog.csdn.net/weixin_42887190/article/details/125464343

第四步，6路PWM輸出，依a,b,c三項佔空比，計算PWM輸出，驅動馬達轉動，這個很簡單，就是用佔空比乘以PWM週期，寫set_PWM_value函數如下：

void set_PWM_value(uint16_t pwm_u,uint16_t pwm_v,uint16_t pwm_w)
{
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, pwm_u);  
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, pwm_v);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_3, pwm_w);
 
}

至此SVPWM完成，現將完整的SVPWM程式碼貼進來：

/************************************************* ************************************************** *******
將座標轉換中的反Park變換得到的Valpha 、Vbeta 轉換六路PWM輸出。
 
************************************************** ************************************************** ******/
void SVPWM(AlphaBeta_Def *U_alphaBeta, SVPWM_Def *svpwm)
{
    float sum;
    float k_svpwm;
  
    svpwm->Ts = 1.0f; // SVPWM的取樣週期
    svpwm->U_alpha = U_alphaBeta->alpha;
    svpwm->U_beta = U_alphaBeta->beta;

  // step1 計算u1、u2和u3
    // 計算SVPWM演算法中的三個控制電壓u1、u2和u3
    svpwm->u1 = U_alphaBeta->beta;
    svpwm->u2 = -0.8660254f * U_alphaBeta->alpha - 0.5f * U_alphaBeta->beta; // sqrt(3)/2 ≈ 0.86603
    svpwm->u3 = 0.8660254f * U_alphaBeta->alpha - 0.5f * U_alphaBeta->beta;
 // step2：磁區判斷
    // 根據u1、u2和u3的正負情況來決定所處的磁區
    svpwm->sector = (svpwm->u1 > 0.0f) + ((svpwm->u2 > 0.0f) << 1) + ((svpwm->u3 > 0.0f) << 2); // N=4 *C+2*B+A

    // step3:計算基本向量電壓作用時間（佔空比）
    // 根據磁區的不同，計算對應的t_a、t_b和t_c的值，表示產生的三相電壓的時間
    switch (svpwm->sector)
    {
      case 5:
        // 磁區5
        svpwm->t4 = svpwm->u3;
        svpwm->t6 = svpwm->u1;
        sum = svpwm->t4 + svpwm->t6;
        if (sum > svpwm->Ts)
        {
            k_svpwm = svpwm->Ts / sum; //
            svpwm->t4 = k_svpwm * svpwm->t4;
            svpwm->t6 = k_svpwm * svpwm->t6;
        }
        svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t4 - svpwm->t6) / 2;
        svpwm->ta = svpwm->t4 + svpwm->t6 + svpwm->t7;
        svpwm->tb = svpwm->t6 + svpwm->t7;
        svpwm->tc = svpwm->t7;
        break;
      case 1:
        // 磁區1
        svpwm->t2 = -svpwm->u3;
        svpwm->t6 = -svpwm->u2;
        sum = svpwm->t2 + svpwm->t6;
        if (sum > svpwm->Ts)
        {
            k_svpwm = svpwm->Ts / sum; // 計算縮放係數
            svpwm->t2 = k_svpwm * svpwm->t2;
            svpwm->t6 = k_svpwm * svpwm->t6;
        }
        svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t2 - svpwm->t6) / 2;
        svpwm->ta = svpwm->t6 + svpwm->t7;
        svpwm->tb = svpwm->t2 + svpwm->t6 + svpwm->t7;
        svpwm->tc = svpwm->t7;
        break;
    case 3:
        // 磁區3
        svpwm->t2 = svpwm->u1;
        svpwm->t3 = svpwm->u2;
        sum = svpwm->t2 + svpwm->t3;
        if (sum > svpwm->Ts)
        {
            k_svpwm = svpwm->Ts / sum; //
            svpwm->t2 = k_svpwm * svpwm->t2;
            svpwm->t3 = k_svpwm * svpwm->t3;
        }
        svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t2 - svpwm->t3) / 2;
        svpwm->ta = svpwm->t7;
        svpwm->tb = svpwm->t2 + svpwm->t3 + svpwm->t7;
        svpwm->tc = svpwm->t3 + svpwm->t7;    
        break;
 
    case 2:
        // 磁區2
        svpwm->t1 = -svpwm->u1;
        svpwm->t3 = -svpwm->u3;
        sum = svpwm->t1 + svpwm->t3;
        if (sum > svpwm->Ts)
        {
            k_svpwm = svpwm->Ts / sum; //
            svpwm->t1 = k_svpwm * svpwm->t1;
            svpwm->t3 = k_svpwm * svpwm->t3;
        }
        svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t1 - svpwm->t3) / 2;
        svpwm->ta = svpwm->t7;
        svpwm->tb = svpwm->t3 + svpwm->t7;
        svpwm->tc = svpwm->t1 + svpwm->t3 + svpwm->t7;    
        break;
 
    case 6:
        // 磁區6
        svpwm->t1 = svpwm->u2;
        svpwm->t5 = svpwm->u3;
        sum = svpwm->t1 + svpwm->t5;
        if (sum > svpwm->Ts)
        {
            k_svpwm = svpwm->Ts / sum; //
            svpwm->t1 = k_svpwm * svpwm->t1;
            svpwm->t5 = k_svpwm * svpwm->t5;
        }
        svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t1 - svpwm->t5) / 2;
        svpwm->ta = svpwm->t5 + svpwm->t7;
        svpwm->tb = svpwm->t7;
        svpwm->tc = svpwm->t1 + svpwm->t5 + svpwm->t7;    
        break;
 
    case 4:
        // 磁區4
        svpwm->t4 = -svpwm->u2;
        svpwm->t5 = -svpwm->u1;
        sum = svpwm->t4 + svpwm->t5;
        if (sum > svpwm->Ts)
        {
            k_svpwm = svpwm->Ts / sum; //
            svpwm->t4 = k_svpwm * svpwm->t4;
            svpwm->t5 = k_svpwm * svpwm->t5;
        }
        svpwm->t7 = (svpwm->Ts - svpwm->t4 - svpwm->t5) / 2;
        svpwm->ta = svpwm->t4 + svpwm->t5 + svpwm->t7;
        svpwm->tb = svpwm->t7;
        svpwm->tc = svpwm->t5 + svpwm->t7;    
        break;
 
     default:
        break;
    }
// step4：6路PWM輸出
    set_PWM_value(PWM_PERIOD*svpwm->ta,PWM_PERIOD*svpwm->tb,PWM_PERIOD*svpwm->tc);
}

第五步，驗證SVPWM輸出是否正確。寫完SVPWM函數，需要做驗證，看看演算法是否正確可用。寫svpwm_test函數，給定d,q值，由於暫時還沒有完成電機編碼器的角度獲取，所以角度theta給以個固定增量，這樣正常情況下，接上電機會轉動起來。為了方便觀察將ta,tb,tc三個資料擴大100倍放到vofa輸出函數中，顯示三條曲線。

void svpwm_test(void)
{
    float theta = 0;
    DQ_Def test_dq;
    AlphaBeta_Def test_ab;
    SVPWM_Def svpwm_out;
 
    test_dq.d = 0.0f;
    test_dq.q = 0.2f;
 
    for (theta = 0; theta < 6.2831853f; theta += 0.275f)
     {
        inverseParkTransform(&test_dq,&test_ab,theta);
        SVPWM(&test_ab,&svpwm_out);
  vofa_JustFloat_output(100.0f*svpwm_out.ta,100.0f*svpwm_out.tb,100.0f*svpwm_out.tc,0.0f);
// HAL_Delay(1);
    }
}

最後主函數呼叫如下:
接續硬體平台，編譯下載，開啟串口連接vofa+上位機，可以輸出三個相位相差120°的馬鞍波曲線，顯示如下，如此就證明SVPWM成功實現。
同時，可以接上BLDC的UVW三項，可以看到電機會轉動，修改test_dq.d和theta的增量，馬達的轉動速度會改變。
觀看影片效果請至https://www.bilibili.com/video/BV1pu4y1y7jK/?spm_id_from=333.999.0.0& ;vd_source=4c57166c6142504cc135c2135bf9844e 作者：茄子土豆地三鲜 https://www.bilibili.com/read/cv26263543/ 出处：bilibili

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