无感FOC代码: 调试简单,起转顺利

参考原理图 M451_FOC.pdf (39.23 KB, 下载次数: 5526)

2020-3-17 17:34 上传

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, 图中第三相驱动和前两相一样，省略, 省一页图纸。
M451无感FOC吸尘器在10万转时，电流钳测的电流波形

每个PWM周期的计算耗时小于20us。如果 PWM=30KHz/周期33us，转速就可跑到 15万转。

启转快，同步快，代码精简到8K+


顺风启转，直接同步


让电流设定值突变，电流响应快、并且无超调


有感FOC的IAR工程代码: M451_SVPWM.zip (1.57 MB, 下载次数: 6022)

2017-7-28 11:15 上传

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运行此代码,不接电机,在PWM0_0, PWM0_2, PWM0_4 引脚接 10K/1uF 阻容后就可测到如下波形


无感 FOC 代码 M451_FOC_V26.zip (841.6 KB, 下载次数: 3691)

2025-9-1 10:00 上传

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，带详细中文注释，量产后可开放 M4_SVPWM.lib。
1>,在 DQ 坐标轴做的磁链观测器，观测器收敛很快,  所以启动较快。
2>, 定点运算，并且用到了 M4 的 DSP 指令，所以运算速度很快，占用CPU 时间较少。
3>,有电流超前角，基速以下 MTPA 控制，基速以上弱磁控制。
4>,三闭环控制，有功率闭环控制，或做功率限制。
5>,有加速度控制，方便调节加减速快慢。
6>,积分运算有抗饱和代码。
7>,有顺风起转功能。支持正反转切换。
8>,静止起动有两种方法可选：普通启动和快速启动。
9>, 有死区补偿，有谐波补偿 ，有退偶代码，五段式和七段式 SVPWM 模式可随时切换。
X>, 代码中电压上限 1638.3V，电压再高修改系数即可。测试过 9uH ~ 25mH 的电机，再宽范围修改系数即可。
  
每一行代码都反复检查并测试，我们精雕细琢，只为性能卓越

此代码效果的视频 M451_Video.zip (32.33 MB, 下载次数: 1557)

2024-6-23 11:11 上传

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电机参数不同或电路不同时，代码修改说明 M451无感FOC 代码说明.pdf (1.91 MB, 下载次数: 3482)

2025-4-29 14:20 上传

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PWM 触发ADC中断代码流程:  读取电流 =>迭代运算、估算位置=>算三路PWM 占空比写入寄存器

  
过调制输出电压。 过调制可提高电压利用率


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M451  可做 FOC + PFC 方案。 也可做 FOC + CAN通信 方案

七段式SVPWM 算法，一个PWM 周期有两次电流注入，所以电流频率是PWM 频率的两倍，PWM 频率若用10KHz（周期是 100us），电流频率主要是20KHz，所以噪音已比较小。

此M451 FOC 方案，PWM(ADC)中断耗时20us左右，所以另一组PWM  完全有时间做 PFC 控制。

我们推荐以下引脚配置， 同时留出CAN 通信引脚。PA2,PA3 可控制大功率 PFC 的主管和副管。

这里讲一下电流 PI 参数的取值问题

电机可以看成一个电感串一个电阻，其拉氏变换是 1/(sL+R)， PI 控制的拉氏变换是 (Kp + Ki/s) , 这俩公式看不懂的，请去复习一下拉氏变换
电流的 PI 控制图如下，x是电流设定值，y是电机的实际电流。PI 控制的输出是电压V，电压加到电机(电阻+电感), 又调整了电流大小，控制的最终结果是 y=x 。因为有积分运算，所以只要 x-y >0, PI 运算的结果V 就会一直增加，所以电机电流y也一直增加，直到 y=x。


上图写成公式

公式化简

令 Ki = K*Kp, K是一个常数，公式变为



上式可变成 y 的二阶微分方程，求出 y  的解，用拉氏反变换的方法也可求出 y 的解。
当设定电流不变、即x=常数时，y 的解的形式是： ，
其中 x1,x2 是 S 的一元二次方程   的解。我们先不求解，讨论解的形式，比较简单。

S的一元二次方程有俩实数解时，y 的解中，e的指数是实数，y 的值指数变化(增加或衰减)趋于终值C0，没有振荡。
如果上述一元二次方程的解是复数，e的指数是复数，按欧拉公式，就是y的解是三角函数、乘e指数。y的解有三角函数，就是电流 y 有振荡。PI 控制效果、是振荡式趋于稳定值C0，这是我们不希望的。
上述S的二次方程有实根，必须满足：

上式可写成 ，第二个括号内的值 >=0，就满足整个公式>=0。

从第二个括号内式子 4RKp - 4LkKp >=0 得出 R - LK >= 0，即 K <= R/L
所以，Ki 满足下式,  电流响应就不会有振荡：

这就是 Ki 取值的理论依据，实际上 PI 控制环路还有PWM  滞后一个周期等其它微小滞后因素，Ki 的这个临界值，比 R/L*Kp 还大一点，也就是只要Kp的取值不会引起振荡，Ki 取值 = R/L*Kp 也不会振荡。

M451无感FOC方案特性：
1，磁链估计，比电流估计精度好。
2，dq轴估计，比静态坐标轴估计误差小，因为Ld,Lq是常量，而ab轴的电感是随角度变化的，静轴估计理论上就有误差。
3，反正切输入PLL, 比Ea*sin+Eb*cos 输入PLL好，因为前者的值只与角度偏差有关，而后者的值还受转速影响。
4，定点数运算比浮点运算快。电机最小电感仍可10uH以下。我们测试了电感9uH 的吸尘器，起转很好。
5，M4内核有除法指令，更有“抗饱和累加“指令，写代码方便，运算速度快。
6，M451工作电压范围2.5~5.5V， 宽工作电压范围，抗干扰能力强。

新唐M451 无感FOC 代码，做MTPA控制。

先介绍一下理论。文字中的符号, 要显示出来，必须单独上传图片，为了省事，我只好先写成 word 文件，再截成一个大图片上传了。

电流分量代入转矩公式，得

MTPA 控制就是给定电流Is，求角度等于多少时，转矩最大。求导=0得

解这个一元二次方程，得

不同Is对应的超前角可做一个折线。假如最大工作电流是32A，做32个点，1A一个点。算出N =Is (取整)，则Is对应的超前角在点[ N], [N+1 ]之间，按下式做一个线性计算就可得到角度

若要做 MTPA 控制，就在 SysTick 中断里、转速 PI 运算得出 Is 后，再查表求出超前角 Angle_Fai就可以了，求 Iq,Id的代码已写好。

这里讲一下 Clark 变换

求 I_alpha, I_beta,  就是求电流向量的实部和虚部。A相在0度，B相在120度，C相在-120度，三个电流写成复数形式分别为


求三个电流的“失量和” 。 三相电流的“标量和=0“，即Ia+Ib+Ic = 0，这个不用求。


因为在下MOS 导通时测电流，显然下MOS导通时间长时,电流ADC 受PWM 开关影响就小，值相对准确一些。
如果 C 相下 MOS 导通时间短、就用 Ia 和 Ib 计算电流向量， Ic = -Ia-Ib 代入向量求和公式，得到

消去 Ia 或 Ib 的公式，请读者自己推导

等幅变换中电流向量若是 I,  则对应相电流峰值是 I*2/3。所以上式求出的电流向量，乘2/3后才与控制量对应,  这样公式就变成了

上式这个电流向量的模，正好与相电流的峰值，数值上相等。
下面来看代码，
181~189行，按扇区,选择下MOS导通时间长的两相, 求I_alpha, I_beta，为了减小计算误差先增加小数，数值乘8
191行，1/3 的开方=0.57735 =18919/32768, 所以乘18919再右移15位就是乘1/3的开方，右移小了3位，等于是把结果乘了8


执行完191行后，就求出了 I_alpha，I_beta 。接下来坐标变换求出了有3位小数的 Id 和 Iq 电流

这里讲一下代码中的 PI 运算。

模拟 PID 运算公式 ：

去掉微分运算，再把公式离散化，公式变为：


采用增量式算法：


下面是转速 PI 运算的代码
代码 733 行：增量 = Kp*[本次误差 - 上次误差] + Ki * 本次误差
代码 734 行，temp32 = U(n-1) + 增量。
736~739行是抗饱和运算
741 ~ 742行，计算结果 temp32 做限幅后，再赋值给电流设定值变量 Is_set_f12

  

弱 磁 测 试
测试电机 Lq = 15200 uH，Ld = 6870 uH 。是一个 220V 的电机。 用新唐带隔离功能的 NuLink 仿真器，进入仿真状态，实时查看变量的值。
不用弱磁功能，让超前角 Angle_Fai = 0 ;  设定转速 3500RPM，可以看到最大只能到 3282RPM。



电压上限保留4位小数是 0x4B90，实际输出电压 Vq/Vd 的模已到 0x4B8C，这里有求模开平方的误差。输出饱和计数已累加到30，输出已多次饱和 。



使能弱磁功能，可以看到实际转速可以到 3700RPM,  超前角数据 12288，是 67.5 度。

2025年9月1日的更新，优化了电压饱和的判断，让弱磁控制更稳定。

代码中 MTPA 控制角和弱磁控制角是分开的。未进入弱磁控制前，让 MTPA 角度等零就是 Id=0 控制。 若允许超前角非0，输出电压饱和后，就进入弱磁控制。

若同时使用 MTPA 控制和弱磁控制，启动后，电流向量的运行轨迹是从 A 到 B 点，再到 C 点。如果负载较轻，C点可能输出电压已达最大值但电流未到最大值，此时若实际转速未到设定转速，则超前角开始一步步增大，同时电流幅值也增大，运行到 D 点，若实际转速仍未到设定转速，超前角再次一步步增大，运行到 E 点。


在 E 点稳定运行时，若负载变重，则超前角会一步步减小，回到 D 点；若负载再次变重，沿电流极限圆运行到 G 点。即：负载变化时，电流向量轨迹会在 G,D,E 之间摆动，处在恒功率运行状态，这种工作方式轻载时转矩大，一般用于工业传动带、汽车等行业，负载突然变大时（传动带突然加物料，汽车在山路行驶突然上坡）转速响应快，缺点是轻载时能耗高。

代码中如果让超前角 Angle_Fai 总是=0，即不做弱磁控制、仅做 MTPA 控制，负载变化时，电流向量轨迹是 G，C，B  这样变化。这种方式，轻载时转矩小，负载突然变大时，转速响应慢，优点是轻载时节能。

单电阻方式，在下图红线处测电流，先测A相，第二次 测 A+B 相电流，就可以进行电流重构了。



但是如果，AB 相 占空比很接近，怎么测呢？

中间开槽是一个办法。如下图，AB 两相占空比很近, 就加宽A 相占空比，同时在A 相中间开槽。三相输出电压001增加了，由中间的 110 抵消，输出电压不变。


如果 AB 占空比都接近 100%,  比如输出电压在60度、并且占空比都接近100%, A 相占空比无法再加宽怎么办呢？ 那就采用角度交替偏移法。


电压角度 60度时，实际输出电压角度让其在 50度和70度交替，两个PWM 周期平均角度还是 60度。

具体做法是在 SVPWM 计算时，输入的角度 = Angle_q - 10，下个周期用的角度 = Angle_q +10 （偏移角度可按 Angle_q 离60度的远近调整）。

我们做了个测试，让 SVPWM 计算用的角度，不停左右摆动，电机依然正常转动。


波形展开，或放大，电流增加了一点高频分量

能否讲下其中的死区补偿和谐波补偿 一直不是很理解

Angus 发表于 2025-6-12 22:20
普通启动过程
第一步先把磁铁吸到0度，或某个角度，这一步代码在状态5

能否讲下快速启动方式

顺风起转

请问哪里可以买高压的开发板

可以讲讲你们的无位置角度估算方法，再不讲就过时了

用此代码做的厨房排烟机，起动效果看视频
AO1.zip (1.19 MB, 下载次数: 431)

2025-6-26 09:22 上传

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屏幕上显示的是电流波形

普通启动过程
第一步先把磁铁吸到0度，或某个角度，这一步代码在状态5


第二步，跳转到状态4，控制电流开始转动，电磁场会吸着永磁体转动，并且转速逐步加快。所以电机启动参数里有“拖动电流和拖动加速度”。


当磁铁到一定转速, 线圈中产生了反电势，就能估算出磁铁的位置了。

电磁场继续加快转速，当电磁场追上磁铁Q轴方向时（比磁铁超前90度）就让电磁场方向保持与 Q 轴方向一致，即，切换成同步转动。所以叫永磁同步电机 PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）

这种启动方式，适合绝大多数电机，M451 无感 FOC 代码，当然也必须支持这种启动方式，从状态4启动，就是这个启动流程。


M451 无感FOC 还有一种无需定位的快速启动方式。