【中科昊芯HXS320F28025C】电机FOC开环

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Field-Oriented Control (FOC) —— 磁场定向控制

磁场定向控制（Field-Oriented Control，简称FOC）是一种先进的电机控制策略，主要用于交流电机（如感应电机和永磁同步电机）的高性能控制。FOC的主要目的是通过精确控制电机的磁场和转矩，来实现电机的高效和精确控制。

FOC的工作原理

FOC的核心思想是将电机的旋转坐标系（dq坐标系）与电机的磁场方向对齐，从而将电机的多相（通常是三相）电流分解成两个独立的分量：励磁电流（d轴电流）和转矩电流（q轴电流）。这种分解使得电机的控制变得更加直观和简单，因为可以通过单独控制这两个分量来分别控制电机的磁场和转矩。

 

下面是FOC经典框图

HXS320F280025C是昊芯浮点DSC平台上的最新产品，基于自主研发的H28x内核，32位浮点RISC-V DSP架构，支持三角函数数学单元和CRC扩展指令集，完美适配FOC。该片增加了可配置逻辑模块(CLB)，用户可添加自定义逻辑:支持多种通信端口，增强型控制外设，可满足电机驱动/控制、光伏逆变器和数字电源等行业的产品布局;基于FPU浮点处理单元，支持FOC算法、有感/无感角度分析、多电平控制、复杂电力电子拓扑算法以及宽带半导体驱动等应用。

今天我们手撸一个简易FOC开环框架：

思路解析解析：

刨去三环，编码器和3相全桥电路，我们要实现的是输入Ud.Uq,angle,输出ABC桥控制信号，也就是占空比信息。

Ud、Uq:通常称为 dq 坐标系。这个坐标系包括 d 轴（励磁轴）和 q 轴（转矩轴）。Ud 表示 d 轴上的电压分量，Uq 是施加在 q 轴上的电压分量，用于控制转矩电流 Iq。转矩电流 Iq 与电机产生的转矩有关，通过控制 Uq，可以调整电机的转矩。这两个值是我们人为设定的，所以只需要在后面代码中传入参数计算就可以。

Ud、Uq与Uαβ的关系：无刷电机通常由UVW三相组成，为了方便计算，需要把三相中每一项的分量隐射到一个直角坐标系Uα，Uβ中，使用我们最常见的三角函数解一下，如下图示意

公式：

Uα​=Ud​cos(θ)−Uq​sin(θ)

Uβ=Udsin⁡(θ)+Uqcos⁡(θ)

• Uα​ 和 Uβ 分别是 αβ 坐标系下的电压分量。
• Ud和 Uq分别是 dq 坐标系下的电压分量。
• θ 是电机定子磁场角度。

求出Uα和Uβ​后传入SVPWM模块

SVPWM介绍：SVPWM的核心是将电机所需的电压表示为一系列空间矢量，并通过选择适当的电压矢量来合成期望的输出电压。这种方法能够更高效地利用逆变器的电压和电流容量，进而提高电机驱动系统的整体效率。

放两张教材里的图吧，详细介绍的话可以单独开一个篇章，有兴趣的小伙伴自行查看吧

接下来是Clark变换:

主要用于将三相静止坐标系下的信号转换到两相静止坐标系下，理解了Clark也就理解了反Park

• 减少维度：从三个变量减少到两个变量，简化了控制系统的设计。
• 保持功率不变：Clark变换是等功率变换，即变换前后系统的总功率保持不变。
• 便于控制：两相坐标系下的信号更容易被控制算法处理，特别是对于矢量控制技术而言

接下来就愉快的手撸代码吧：

延续上一期的工程，新建一个FOC.c和FOC.h

#include "FOC.h"
#include <math.h> 

#define PWM_Period 
#define _PI 3.14159265359
#define _PI_2 1.57079632679
#define _PI_3 1.0471975512
#define _2PI 6.28318530718
#define _3PI_2 4.71238898038
#define _PI_6 0.52359877559
#define _SQRT3 1.73205080757

float voltage_power_supply;

// 设置PWM
// 输入参数：
// - Uq: q轴电压分量
// - Ud: d轴电压分量
// - angle_el: 电角度
void SetSVPWM(float Uq, float Ud, float angle_el)
{
	float Uref;
	float U_alpha,U_beta;
	float T0,T1,T2;
	float Ta,Tb,Tc;
	int sector;
	//反Park
	U_alpha=Ud*cos(angle_el)-Uq*sin(angle_el);         
	U_beta=Ud*sin(angle_el)+Uq*cos(angle_el);
	//计算参考电压矢量的幅值
	Uref=_sqrt(U_alpha*U_alpha + U_beta*U_beta) / voltage_power_supply;   
	//六边形的内切圆(SVPWM最大不失真旋转电压矢量赋值)根号3/3
	if(Uref> 0.577)Uref= 0.577;                     			
	if(Uref<-0.577)Uref=-0.577; 
	//判断参考电压矢量所在扇区：
	angle_el = Angle_deal(angle_el+_PI_2);        
	sector = (angle_el / _PI_3) + 1; 
	 //计算两个相邻电压矢量作用时间
	T1 = _SQRT3*sin(sector*_PI_3 - angle_el) * Uref;           
	T2 = _SQRT3*sin(angle_el - (sector-1.0)*_PI_3) * Uref;
	T0 = 1 - T1 - T2;                                         
	
	switch(sector)
	{
		case 1:
			Ta = T1 + T2 + T0/2;
			Tb = T2 + T0/2;
			Tc = T0/2;
			break;
		case 2:
			Ta = T1 +  T0/2;
			Tb = T1 + T2 + T0/2;
			Tc = T0/2;
			break;
		case 3:
			Ta = T0/2;
			Tb = T1 + T2 + T0/2;
			Tc = T2 + T0/2;
			break;
		case 4:
			Ta = T0/2;
			Tb = T1+ T0/2;
			Tc = T1 + T2 + T0/2;
			break;
		case 5:
			Ta = T2 + T0/2;
			Tb = T0/2;
			Tc = T1 + T2 + T0/2;
			break;
		case 6:
			Ta = T1 + T2 + T0/2;
			Tb = T0/2;
			Tc = T1 + T0/2;
			break;
		default:  // 错误状态
			Ta = 0;
			Tb = 0;
			Tc = 0;
	}     
	//输出PWM,配置占空比
	EPWM_setCounterCompareValue(epwm1Info.epwmModule,  EPWM_COUNTER_COMPARE_A, Ta*PWM_Period);
	EPWM_setCounterCompareValue(epwm2Info.epwmModule,  EPWM_COUNTER_COMPARE_A, Tb*PWM_Period);
	EPWM_setCounterCompareValue(epwm3Info.epwmModule,  EPWM_COUNTER_COMPARE_A, Tc*PWM_Period);
}

//将输入的角度 angle 归一化到 [0, 2π) 区间内。
float Angle_deal(float angle)
{
  float a = fmod(angle, _2PI);                     
  return a >= 0 ? a : (a + _2PI);
}

代码中并没有角度获得方式，可以在主循环while(1)里模拟一个自增的开环角度，当然也可以来自编码器、霍尔或者无传感器算法估算的转子位置。

受限于手头并没有实物，我们就不做演示了。

Jacktang

代码中并没有角度获得方式，可以在主循环while(1)里模拟一个自增的开环角度，好的

freebsder

谢谢分享，期待后续！