當我們讀懂 FOC 矢量控制的基本原理之后，便迫不及待的想動手嘗試，去實現一個矢量控制系統，讓電機先轉起來，有一個直觀的感受。

因此，我們需要設計實現一個矢量控制的最小系統，具備矢量控制的基本功能，滿足電機矢量運行的基本條件。

首先，看一下矢量控制的基本架構：

矢量控制架構

如上圖所描述，矢量控制系統包括實時電流的采集、clarke 變換、park 變換、SVPWM 、實時角度的反饋和計算以及電流環和速度環等。滿足最小條件的矢量控制運行，可以不加速度環，只實現電流環，當電流環調試成功之后，再加速度環，以及后期的位置環。

因此一個最小的 FOC 矢量控制系統包含以下必要的幾部分功能模塊：

• ADC 電流采集
• 坐標變換與 SVPWM
• 位置估算，霍爾、編碼器或者狀態觀測器
• 電流環PI控制

ADC 模塊用于電流的采樣，因為要根據合成矢量所在扇區，靈活的配置采樣通道與采樣點，所以 ADC 通常配置為注入通道模式，它可以打斷規則通道的采樣，優先采集注入通道。

以常用芯片意法半導體的 STM32 為例，ADC 的觸發模式常常設置為 PWM 定時器的 CH4 觸發，再根據橋臂的打開狀態，配合電流的上升和穩定時間，準確的計算采樣點的時刻，進行有效的采樣。

坐標變換可以采用全浮點實現，也可以采用標幺化處理，以 Q15 格式進行運算，三角函數可以采用查表實現，減少運算復雜度，節省運算時間。

SVPWM 的實現一般涉及到硬件 PWM 模塊的配置，矢量合成扇區的判斷以及作用時間的計算等，常采用 STM32 的兩個高級定時器 TIM1 和 TIM8 實現。高級定時器相對于通用定時器添加了可編程死區、重復計數器以及剎車等功能。

因為要產生互補對稱的方波， PWM 定時器一般設置為中央對齊模式，且需要加入一定時間的死區，防止同一橋臂上的上下兩個 MOS 管同時導通，造成系統短路。

位置估算可以采用有感實現，常見的霍爾傳感器與光電編碼器，當然也可以不采用傳感器，使用狀態觀測器估計系統的位置以及速度計算等。本著由簡到難的原則，建議先從有感入手，先使用帶霍爾或者編碼器的無刷電機，實現位置的反饋和計算。

霍爾接口可以使用 STM32 的 TIM2-TIM5 通用定時器實現，三路霍爾接口接入定時器的三個通道，并打開定時器的異或功能，選擇雙邊沿觸發模式，這樣，可以細分到 60° 扇區，只要有霍爾變化，就會觸發定時器。

之后根據霍爾的狀態去判斷旋轉的方向，計算霍爾轉過 60° 扇區的時間得出角速度，并在 FOC 核心算法中執行細分角度的插值計算，得到實時估算的轉子位置。

STM32 也支持常見的增量式正交編碼器，采用編碼器代替霍爾的區間位置估算，計算更準確。速度的計算可以采用常見的 M/T 法實現。

電機啟動時，可以通過霍爾傳感器獲得轉子的位置信息，雖然這個誤差為±30°，直接給電流啟動是沒有問題的。也有的方案中，先給方波，再切到FOC。如果是編碼器，可以給一個角度為 -90° 的電壓矢量進行預定位即 d 軸為 0，q軸給一個值；或者給一個角度為0的電壓矢量，q軸給0，d軸給一個值，由于磁場力的作用，轉子最終會轉到與給定矢量相同的位置。

實現電流環的PI控制器，給定 q軸電流，經過PI控制器調節，輸出調節量，經過坐標變換后，送到 SVPWM 模塊，驅動電機的三相。

最后實現 FOC 矢量控制兩個大的任務模塊，一個是 FOC 核心算法，這個核心算法需要在每個 FOC 執行周期中執行一次，一般放到 ADC 中斷中執行；另外一個任務模塊負責狀態機的輪詢和系統保護，這個模塊通常放在系統滴答定時器中斷中。

完成以上模塊基本上可以實現一個 FOC 的最小控制系統，當然為了調試方便，可以配置 DAC 功能、USART 功能、CAN 功能等等。

總結

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