STM32 FOC 相电流

STM32 的 FOC（Field-Oriented Control，磁场定向控制）中的 相电流 是指电机三相（U、V、W）绕组中的实时电流。在电机控制中，相电流的精确测量和调节是实现高性能 FOC 算法的关键，直接影响电机的效率、扭矩和转速控制。

相电流在 FOC 中的作用

反馈控制
通过测量相电流，结合电机转子位置（如通过编码器或霍尔传感器），FOC 算法可以将三相电流转换为正交的 直轴（Id） 和 交轴（Iq） 分量，分别控制磁链和扭矩，实现类似直流电机的控制特性。
电流环调节
相电流是电流闭环控制的核心输入，用于实时调整 PWM 输出，确保实际电流跟踪目标电流，从而优化动态响应和抗干扰能力。

STM32 实现相电流测量的方法

硬件配置
- 采样电阻+运放：在电机三相下桥臂与地之间串联采样电阻（Shunt Resistor），通过运放放大电压信号，STM32 的 ADC 采集放大后的电压并计算电流。
- 集成电流传感器：如霍尔电流传感器（如 ACS712），直接输出与电流成正比的电压信号。
软件处理
- ADC 同步采样：在 PWM 的特定时刻（如下桥臂导通时）触发 ADC 采样，确保电流信号稳定。
- Clarke/Park 变换：将三相电流（IU, IV, IW）转换为两相静止坐标系（Iα, Iβ），再转换为旋转坐标系（Id, Iq）。
- 电流闭环控制：通过 PID 调节器调整 PWM 占空比，使实际电流跟踪目标值。

关键代码示例（基于 STM32 Motor Control SDK）

// 1. ADC 采样三相电流（以 Shunt Resistor 为例）
uint16_t adc_buf[3]; // 存储 ADC 采样值
HAL_ADC_Start(&hadc1);
adc_buf[0] = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // U 相电流
adc_buf[1] = HAL_ADC_GetValue(&hadc2); // V 相电流
adc_buf[2] = 0; // W 相电流通常通过 IU + IV + IW = 0 计算得出

// 2. 电流标定（转换为实际安培值）
float IU = (adc_buf[0] - offset_U) * current_scale;
float IV = (adc_buf[1] - offset_V) * current_scale;
float IW = -IU - IV; // 根据基尔霍夫定律

// 3. Clarke 变换
float I_alpha = IU;
float I_beta = (IU + 2*IV) / sqrt(3);

// 4. Park 变换（需结合转子角度 θ）
float I_d = I_alpha * cosθ + I_beta * sinθ;
float I_q = -I_alpha * sinθ + I_beta * cosθ;

// 5. 电流闭环调节（PID 计算）
float Vd = PID_Regulator_Id(I_d_ref, I_d);
float Vq = PID_Regulator_Iq(I_q_ref, I_q);

常见问题与解决

电流采样噪声大
- 优化 PCB 布局，缩短采样路径，增加 RC 滤波。
- 使用 ADC 的过采样（Oversampling）或数字滤波（如移动平均）。
相电流不平衡
- 校准 ADC 偏移（Offset）和增益（Gain）。
- 检查 PWM 死区时间和驱动电路是否正常。
动态响应差
- 调整电流环 PID 参数（KP, KI, KD）。
- 确保 ADC 采样与 PWM 中心对齐（Center-Aligned）模式同步。