无刷电机 STM32 FOC

无刷电机（BLDC/PMSM）结合 STM32 微控制器和 FOC（磁场定向控制） 技术，是一种高性能电机控制方案，广泛应用于机器人、无人机、工业驱动等领域。以下是关键点总结：

1. 核心概念

无刷电机：分为 BLDC（无刷直流电机）和 PMSM（永磁同步电机），需电子换向（非机械换向）。
FOC（磁场定向控制）：通过坐标变换（Clarke/Park）将电流分解为磁场分量（(I_d)）和转矩分量（(I_q)），实现精准的力矩和转速控制。
STM32 的角色：STM32F3/F4/G4 等系列内置高级定时器、ADC 和数学加速器，适合实时计算 FOC 算法。

2. 硬件设计要点

主控芯片：推荐 STM32F303（内置运放和比较器）、STM32G474（高分辨率 PWM）。
驱动电路：MOSFET 半桥 + 预驱芯片（如 DRV8301/83xx）或集成驱动模块。
电流采样：
- 电阻采样：低侧电阻 + 运放调理电路，利用 STM32 的 ADC 同步采样。
- 霍尔效应传感器：如 ACS712，适合低成本方案。
位置反馈：
- 有传感器：编码器（增量式/绝对式）或霍尔传感器。
- 无传感器：通过反电动势观测（BEMF）、高频注入（HFI）或磁链估算（如滑模观测器）。

3. 软件实现步骤

PWM 配置：使用高级定时器（TIM1/TIM8）生成互补 PWM，设置死区时间防止直通。
电流采样与滤波：ADC 同步捕获两相电流，通过克拉克变换（Clarke Transform）转换为 (I\alpha) 和 (I\beta)。
位置获取：
- 有传感器：读取编码器脉冲或霍尔信号。
- 无传感器：运行观测器算法（如龙伯格观测器）估算转子角度。
Park 变换与 PI 控制：将电流转换到旋转坐标系（d/q轴），通过 PI 调节器控制 (I_d) 和 (I_q)。
逆 Park 变换与 SVPWM：生成空间矢量 PWM 驱动三相逆变器。
速度闭环：外环速度 PI 调节器输出 (I_q) 参考值。

4. 开发工具与资源

STM32CubeMX：配置 PWM、ADC、定时器等外设，生成初始化代码。
ST Motor Control SDK：提供 FOC 库（如 MCSDK 或 X-CUBE-MCSDK），支持无感/有感算法。
第三方库：如 SimpleFOC（开源库，兼容 Arduino 和 STM32）。
调试工具：J-Scope 实时监控变量，ST-Link 调试器，串口打印调试信息。

5. 常见问题与优化

电流采样噪声：增加硬件滤波（RC 电路）或软件滑动平均滤波。
死区补偿：根据 PWM 频率和驱动延迟调整死区时间。
参数整定：先调电流环 PI（带宽约 1kHz），再调速度环（带宽 10-100Hz）。
无感启动：采用开环启动（I-f 控制）或高频注入初始位置检测。

6. 典型应用场景

无人机电调：无感 FOC 实现高动态响应。
工业伺服：高精度编码器 + 有感 FOC 控制。
家用电器：如空调压缩机、洗衣机电机（低成本无感方案）。

示例代码框架（STM32 HAL 库）

// FOC 主循环示例
void FOC_Loop() {
  // 1. 读取电流和角度
  Iu = ADC_GetCurrentU();  // 获取U相电流
  Iv = ADC_GetCurrentV();  // 获取V相电流
  angle = Encoder_GetAngle();  // 读取编码器角度

  // 2. Clarke变换
  Clarke_Transform(Iu, Iv, &I_alpha, &I_beta);

  // 3. Park变换
  Park_Transform(I_alpha, I_beta, angle, &Id, &Iq);

  // 4. PI控制（电流环）
  Vd = PI_Update(&PID_Id, Id_ref - Id);
  Vq = PI_Update(&PID_Iq, Iq_ref - Iq);

  // 5. 逆Park变换
  Inverse_Park(Vd, Vq, angle, &V_alpha, &V_beta);

  // 6. 生成SVPWM
  SVPWM_Generate(V_alpha, V_beta);
}

通过上述方案，STM32 能够高效实现无刷电机的 FOC 控制，平衡性能与成本。建议从 ST 官方例程（如 Motor Control Workbench）入手，逐步调试优化参数。