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FOC学习路线

1.了解理论基础

个人感觉全网讲得最好的是稚慧君的这篇文章

【自制FOC驱动器】深入浅出讲解FOC算法与SVPWM技术 - 知乎
[永磁同步电机](https://github.com/disnox/disnox_blog/blob/main/docs/skill/motor/pmsm/1. 永磁同步电机.md) (这篇也很好，前半部分有点门槛，后半部分建议阅读)

2.补充一些关于FOC的认知

2.1 输出路线

stm32输出pwm -> 预驱 -> 6个MOS管组成的三相半桥电路

2.1.1 pwm信号

stm32输出的pwm可能是3路或者6路（取决于你的预驱）

6路实际上是在3路的基础上加上对应互补的pwm
如果是6路，一般意味着你要自己控制死区，输出6路pwm一般要高级定时器才能做到

死区：指在两个通道切换时的延迟，用于确保一个通道完全关闭后另一个通道才开始导通，为了避免功率开关器件（如MOSFET或IGBT）同时导通而导致短路

2.1.2 预驱相关

功能是根据逻辑信号(pwm的高低电平)控制MOS管开关，因为一般驱动MOS管所需要的电压是stm32无法提供的
预驱其实还有一些功能，比如：
- 常见的故障检测保护：过流、过温、过压、欠压等
- 死区插入、防直通
- 运放(用于电流采样)
- 三相半桥电路(即可以省去6个MOS管，在制作小电机驱动板时可以节省大量空间)

2.2 输入参数

一般来说有两个输入：

转子位置，Park算法需要
电流大小及方向，Clarke算法需要

2.2.1 转子位置

其中转子位置可以采样传感器(编码器)获取，也可以基于反电动势估算出来，所以foc也可以根据此被划分为

有感foc：适合低转速，需要精准控制旋转角度。比如：关节电机、云台
无感foc：适合高转速，要求低成本。比如：电动工具、吹风筒等

之所以分别有这样的特性，是因为一般无感的采用的位置估算器要在高转速、有规律的速度下才可准确估算位置。同时无感由于不需要传感器，成本可以进一步压缩。

编码器有很多种类，以下要常见的三种：

编码器类型	精度	分辨率	输出信号	优点	缺点	典型应用
霍尔传感器（Hall Sensors）	中	低（每转 3~6 个状态）	数字（6步换向）	成本低、耐用、抗干扰强	分辨率低、无法精确定位	通用BLDC、风机、电动工具
增量式编码器（Incremental Encoder）	高	中~高（CPR: 100~5000）	A/B/Z 相差分或单端	成本适中、高分辨率、易用	掉电丢失位置、需回零	CNC、机器人
磁编码器（Magnetic Encoder）	中~高	中（12~18位）	模拟或数字输出	抗震、防尘、非接触	易受强磁场干扰	电动车辆、工业电机、伺服系统

对应我们来说，大多数情况都是需要精准控制旋转角度，因此采用磁编码器合适。

2.2.2 电流采样

电流采样的原理其实就是欧姆定律：I = U / R

串联一个采样电阻到需要测量电流的线路中，测量电阻两端的电压，然后用这个电压除以采样电阻大小就能得到电流大小。

采样电阻：高精度低阻值的电阻，一般为0.1~100毫欧，1%精度

但实际上因为两端的电压差较小，需要使用运算放大器实现差分放大，并且添加偏置电压后才将通过ADC转换。

不过原理虽然是这样，但还是有问题需要解决。

2.2.2.1.采样电阻所在的位置

根据采样电阻的位置可以分为：高端采样、低端采样和直接采样

高端采样：采样电阻处于母线与上桥臂之间
- 优点：不干扰负载的地电压
- 缺点：要承受较高的电压，有较强的共模噪声，一般需要专用的高边电流检测IC或隔离方案，成本高
低端采样：采样电阻处于下桥壁和功率地之间
- 优点：接近0v的共模电压，较低的共模噪声
- 缺点：抬高了负载的地电压
直接采样：采样电阻处于半桥和电机相线之间
- 不知道为什么网上鲜有此类型的讨论，也没看见有使用的

根据易用性和成本考虑，基本上都是选择低端采样。

2.2.2.2.采样电阻的数量

根据采样电阻的数量，可以分为单电阻、双电阻、三电阻方案。

在理论上，使用基尔霍夫电流定律(KCL)，我们需要知道无刷电机流过三相线中任意两条的电流大小及方向，就能得到算出第三条，进而实现电流重构，因此我们需要采样得到两条相线的电流及方向。

单电阻：只需要一个采样电阻和运放，采样电阻处于三个半桥整体和功率地之间，采样的电流实际上是母线电流，而不是单独的相电流。
- 优点：硬件成本低
- 缺点：对采样时机要求较高，需要在一个PWM周期内采样两次(分时采样)
双电阻：使用两个采样电阻和运放，分别处于三个下桥臂中的任意两个和功率地之间，采样的是相电流
- 优点：对采样时机的要求不高，但也有要求
- 缺点：成本比单电阻的高
三电阻：使用两个采样电阻和运放，分别处于三个下桥臂中的和功率地之间
- 优点：任何时候都能采样（实际上是根据SVPWM扇区取其中两个采样然后算出一个）
- 缺点：成本高

2.2.2.3.阻值应该选择

采样电阻不能太大，如果大了，那采样电阻的功耗高，发热严重，而且抬高了地电压；也不能太小，如果太小导致两边的压差过小，噪声占比会提高，而差分放大后，噪声也一样会被放大。

采样电阻要根据驱动板设计的最大电流选择，首先看公式:

ADC测量电压 = (电流 x 采样电阻) x 放大倍数 + 偏置电压

偏置电压一般为ADC测量范围的二分之一，stm32的主控电压为3.3V，若VREF也为3.3V，则ADC测量范围为0~3.3V，则偏置电压为1.65V。

放大倍数一般考虑5~10倍，然后按照最大电流的1.3倍(留有余量)带入公式计算采样电阻。

2.2.2.4.为什么要加上偏置电压

因为电流方向有正有反，而ADC只能测量正电压。

3.算法实现

3.1 进度划分

关于foc算法学习的进度，个人觉得可以分为：

实现开环拖动
- 目标：让电机转起来，验证硬件、stm32外设配置、基础的算法(Clarke、Park、SVPWM)是否正常
- 方法：
  - 给定一个旋转的电压矢量（如 Vd=0, Vq=固定值），通过 SVPWM 输出；
  - 不依赖电流反馈，也不依赖精确转子位置（可用假设角度线性增加）
基于开环电流实现速度或位置闭环
- 目标：实现最基础的可用，检验编码器及编码器驱动是否正常
基于电流采样实现电流(力矩)闭环
- 目标：FOC核心，验证电流采样电路是否正常、ADC采样时机是否正确
实现力矩-(速度/位置)闭环
- 完整实现FOC功能

3.2 学习方向

看灯哥开源的，但由于用的是Arduino，所以只能学学原理，然后可以自己尝试移植到stm32
- 灯哥手把手教你写FOC算法
如果会使用MATLAB，可以考虑基于仿真实现一遍算法
参考开源项目
- dgm：单路foc，基于GD32，代码写得很好
- ODrive：国内外最热门的foc开源项目之一，基于stm32f405驱动双路foc，但是开发环境非Keil，且基于freetrtos多任务与c++，代码架构复杂，学习难度较大。感兴趣的可以阅读loop222大佬的文章，但帮助有限。
- AxDrive-L：板子优雅，但复刻成本较高。作者提供的资料很详细，可以借鉴学习
  - [1. AxDrive-L 用户手册](https://github.com/disnox/disnox_blog/blob/main/docs/project_group/motor_ctrl/AxDrive-L/1. AxDrive-L 用户手册.md)
  - [2. AxDrive-L 硬件设计报告](https://github.com/disnox/disnox_blog/blob/main/docs/project_group/motor_ctrl/AxDrive-L/2. AxDrive-L 硬件设计报告.md)
  - [3. AxDrive-L 软件设计报告](https://github.com/disnox/disnox_blog/blob/main/docs/project_group/motor_ctrl/AxDrive-L/3. AxDrive-L 软件设计报告.md)（没更）
  - [永磁同步电机](https://github.com/disnox/disnox_blog/blob/main/docs/skill/motor/pmsm/1. 永磁同步电机.md)(后半部分建议阅读)
- 浩盛FOC&步进二合一驱动板
  - 软件开源、硬件原理图开源、实物在闲鱼有售
  - 代码写得很好，支持有感/无感

4.硬件实现

从容易到难为：

主控 + 内置三相半桥的预驱(如DRV8313、MP6536) + 不要电流采样
- 省略了MOS管部分电路，降低了极大难度
主控 + 内置三相半桥的预驱(如DRV8313、MP6536) + 电流采样
- 能实现电流闭环
主控 + 预驱(如FD6288、EG2133、DRV8301) + 三相半桥(6个MOS+外围电路) + 电流采样
- 能实现大功率的驱动

根据情况可以选择外接磁编码器，或者是直接加在驱动板背面。

常见编码器：AS5600、MT6501、MT6701、MA732、AS5047、SC60224

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