电机驱动开发学习17. FOC速度外环闭环控制

[一、FOC 速度外环是什么](#一、FOC 速度外环是什么)
- [1.1 为什么速度环比电流环慢？](#1.1 为什么速度环比电流环慢？)
- [1.4 速度环为什么不能只靠 PI「自己适配」？](#1.4 速度环为什么不能只靠 PI「自己适配」？)
- [1.2 两种运行模式](#1.2 两种运行模式)
- [1.3 本章硬件限制（继承 lesson16）](#1.3 本章硬件限制（继承 lesson16）)
二、实验简介
- [2.1 本章目标](#2.1 本章目标)
- [2.2 硬件](#2.2 硬件)
三、程序设计
- [3.1 目录结构](#3.1 目录结构)
- [3.2 速度外环核心代码](#3.2 速度外环核心代码)
- [3.3 主循环调用顺序](#3.3 主循环调用顺序)
- [3.4 参数建议](#3.4 参数建议)
[四、FreeMASTER 与串口](#四、FreeMASTER 与串口)
- [4.1 FreeMASTER 监视变量](#4.1 FreeMASTER 监视变量)
- [4.2 VOFA+ FireWater](#4.2 VOFA+ FireWater)
- [4.3 串口命令](#4.3 串口命令)
五、主程序流程
- [5.1 初始化](#5.1 初始化)
- [5.2 调试流程](#5.2 调试流程)
- [5.3 手工调参步骤（串口 + Scope）](#5.3 手工调参步骤（串口 + Scope）)
- - [5.3.1 准备](#5.3.1 准备)
  - [5.3.2 第一步：只调电流内环（lesson16 摸底）](#5.3.2 第一步：只调电流内环（lesson16 摸底）)
  - [5.3.3 第二步：调速度外环](#5.3.3 第二步：调速度外环)
  - [5.3.4 推荐调参顺序（抄作业）](#5.3.4 推荐调参顺序（抄作业）)
  - [5.3.5 串口命令与环状态速查](#5.3.5 串口命令与环状态速查)
六、调试与整定
- [6.1 算法说明（当前版）](#6.1 算法说明（当前版）)
- [6.2 「转速超不了 400，lesson11 能到 700」？](#6.2 「转速超不了 400，lesson11 能到 700」？)
- [6.3 推荐验证步骤](#6.3 推荐验证步骤)
- [6.4 常见问题](#6.4 常见问题)
- [6.5 速度环整定经验](#6.5 速度环整定经验)
- [6.6 与 lesson11 / lesson16 对照](#6.6 与 lesson11 / lesson16 对照)
- [6.7 安全提示](#6.7 安全提示)
七、本章小结

一、FOC 速度外环是什么

lesson16 已实现 DQ 双轴电流内环 ：给定 I q _ r e f I_{q\_ref} Iq_ref，PI 自动调节 V d / V q V_d/V_q Vd/Vq，电机输出对应转矩。本章在电流环外侧再套一层 速度环 ，构成 FOC 最常用的 串级双闭环：

环路	周期	输入 SP	反馈	输出
速度外环	50 ms	目标 RPM	霍尔 RPM	PI → Iq (mA)
电流内环	25 ms	I q _ r e f I_{q\ref} Iq_ref / I d _ r e f = 0 I{d\_ref}=0 Id_ref=0	Park 后 Id/Iq	Vd/Vq → PWM

控制链路：
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SP 斜坡 50ms
PI_speed → Iq mA
motor_hall_get_rpm
g_fm_target_iq mA
PI_Iq 25ms
Id_ref=0
PI_Id
三相电流
Park
霍尔电角度
Vq
Vd
InvPark
|V|→占空比→六步换相

与 lesson11 的区别 ：lesson11 速度环 直接输出 PWM ；本章速度环输出 Iq 电流给定，由 FOC 电流内环把「需要多大转矩电流」转化为电压矢量。这是工业 FOC 驱动的标准级联结构。

1.1 为什么速度环比电流环慢？

带宽分工：电流环负责快速抑制电流扰动（25 ms）；速度环只需跟踪转速，50 ms 足够，且能滤除霍尔测速噪声。
级联稳定性 ：外环慢、内环快，内环可近似为外环的「快速执行器」，整定顺序：先电流环、后速度环。
输出限幅：速度 PI 微调限幅 ±400 mA；主通道为前馈 + 超速减力（见 §1.4）。

1.4 速度环为什么不能只靠 PI「自己适配」？

教科书 / 官方 MCSDK 里，速度环理想形态是：

text 复制代码

Iq_ref = Kp×(SP−ACT) + Ki×∫(SP−ACT)dt    ← 积分自动消静差
电流环跟踪 Iq_ref → PWM → 转速

lesson17 在六步板 + 霍尔 6 态上，这条链路不完整 ，纯 PI 直接出 Iq 会出现：Iq 顶满但 PWM 上不去、降 SP 转速不降、0↔满 PWM 振荡、固定 +100 RPM 静差等。因此代码在 PI 之外增加了 工程补丁（不是 FOC 理论要求，是本平台折中）：

补丁	作用	若删掉会怎样
前馈 `SP×1.0 mA/RPM`	粗估力矩，减轻 PI 负担	加速慢或 Iq 积分顶满
PI 微调 `ksp/ksi`	在 ±400 mA 内修小偏差	单独调它对大静差作用有限
超速 `Iq×SP/ACT`	单象限无法负 Iq 制动，用减力代替	ACT 长期高于 SP
`duty_cap∝当前PWM`	六步下减 Iq 往往减不了 PWM，直接限占空比	`t 300` 仍 400+ RPM
欠速 `Iq≥120mA`	防止电流环因 Iq 过小关 PWM	「转几下停一下」

分工：PI（+ksp/ksi）管小偏差和慢跟踪；前馈 / duty_cap 管大偏差、降 SP、单象限不能制动。到 lesson18 SVPWM 后电流环可控性更好，可逐步减小前馈和 duty_cap，让 PI 承担更多------更接近「速度环自己适配」。

与官方对比：

项目	ST FOC / MCSDK	lesson17（六步板）
速度 PI 输出	±Iq，Workbench 标定	前馈 + PI 微调 Iq≥0
减速	负 Iq 制动	Iq 减力 + duty_cap 滑降
执行端	SVPWM	六步 + \|V\|→PWM
测速	霍尔 FIFO 等	EMA 2/8，±30~50 RPM 纹波

1.2 两种运行模式

模式	使能变量	谁给定 Iq	典型用途
速度闭环	`g_fm_speed_loop_en=1`（自动带电流环）	速度 PI	恒速运行、负载扰动自动加力
仅电流闭环	`w 0` + `s 1`	串口 `c` / 按键 K3/K4	验证电流环、锁轴、整定 Kpq/Kiq

1.3 本章硬件限制（继承 lesson16）

霍尔仅 6 态、执行端仍为六步 + ∣ V ∣ → |V|\to ∣V∣→PWM，Id/Iq 会有纹波；速度环 能转、能跟 SP 趋势，但 RPM 稳态精度受霍尔分辨率限制。完整平滑控制见后面的 SVPWM章节。

二、实验简介

2.1 本章目标

在 lesson16 工程基础上增加 FOC 速度外环：

新增 g_fm_pi_speed，50 ms 周期，输出 I q _ r e f I_{q\_ref} Iq_ref
w 1 启速度环时 自动开启电流内环 （g_fm_curr_loop_en=1）
FreeMASTER 监视 RPM / Iq / Id；VOFA+ 在速度模式下发 RPM SP/ACT/Iq
保留过流、堵转保护与电流零偏校准

2.2 硬件

与 lesson4~16 相同：野火骄阳 F407 + 无刷驱动板 + 霍尔 BLDC。

三、程序设计

3.1 目录结构

复制代码

User/
├── foc/
│   └── bsp_foc.c/h       # Clark / Park / InvPark
├── pid/
│   ├── bsp_pi.c/h        # 抗饱和 PI（电流环 + 速度环共用）
│   └── bsp_pid_app.c/h   # 速度外环 + DQ 电流内环 + 串口
├── freemaster/
│   └── bsp_fm_vars.h     # g_fm_target_rpm、g_fm_speed_loop_en 等
└── main.c

3.2 速度外环核心代码

采用 前馈 + PI 微调 + 超速减力 + duty_cap（详见 §1.4）：

c 复制代码

iq_ff   = SP * 1.0f;                         /* 主通道：400RPM→400mA */
iq_trim = pi_cal(&g_fm_pi_speed, ramp, ACT); /* 微调 ±400mA */
iq_ma   = iq_ff + iq_trim;
if (ACT > SP+25)  iq_ma *= SP/ACT;           /* 超速减力（单象限） */
if (欠速)         iq_ma = max(iq_ma, 120);   /* 防 PWM 被关到 0 */
/* 电流环输出再经 duty_cap = SP/ACT×当前PWM 限幅 */

电流内环 dq_current_loop_control() 不变，始终跟踪 g_fm_target_iq。

3.3 主循环调用顺序

text 复制代码

while (1) {
    deal_dq_curr_serial_data();
    deal_key_input();
    motor_protect_sync();
    foc_spd_poll();          /* 50 ms 速度外环 */
    dq_curr_poll();          /* 25 ms DQ 电流内环 */
    motor_stall_poll();
    motor_hall_speed_poll();
    motor_overcurrent_poll();
    dq_curr_vofa_poll();
}

3.4 参数建议

项目	初值	说明
`Ksp / Ksi`	1.0 / 0.15	微调 ±400mA；主通道前馈 SP×1.0（见 §1.4）
`Kpq / Kiq`	0.4 / 35	电流内环
前馈	1.0 mA/RPM	400→400mA；超速可减力，欠速才保 120mA
PWM 限速	SP/ACT×当前 duty	比按 5500 算更能压 +100 静差
Iq 上限	4000 mA	饱和 500ms 且 RPM 不涨 → 自动清积分退回前馈
RPM 目标	300~800	空载起步，勿一次给满 3000

整定顺序 ：先 w 0 + s 1 把电流环调稳 → 再 w 1 启速度环，从小 RPM（如 300）阶跃验证。

四、FreeMASTER 与串口

4.1 FreeMASTER 监视变量

符号	含义
`g_fm_target_rpm`	速度 SP（RPM）
`g_fm_actual_rpm`	霍尔反馈 RPM
`g_fm_error_rpm`	SP - ACT
`g_fm_speed_loop_en`	float 1.0=速度外环开
`g_fm_curr_loop_en`	float 1.0=电流内环开
`g_fm_target_iq`	Iq 给定（速度环或手动）
`g_fm_iq_actual` / `g_fm_id_actual`	d/q 反馈电流
`g_fm_pi_speed`	速度环 PI 参数与状态
`g_fm_pi_iq` / `g_fm_pi_id`	电流环 PI

速度闭环 Scope 建议 ：g_fm_target_rpm、g_fm_actual_rpm、g_fm_target_iq 同屏。

4.2 VOFA+ FireWater

模式	ch0	ch1	ch2
速度闭环 (`w 1`)	RPM SP	RPM ACT	Iq SP (mA)
仅电流环	Iq SP	Iq ACT	PWM

115200、协议 FireWater、3 通道。

4.3 串口命令

命令	作用	示例
`t [rpm]`	设目标转速	`t 500`
`w 1` / `w 0`	启 / 仅停速度外环	`w 1` / `w 0`
`c [mA]`	设 Iq（须 `w 0`）	`c 1500`
`ksp` / `ksi`	速度环 PI	`ksp 8`
`kpq` / `kiq` / `kpd` / `kid`	电流环 PI	`kiq 80`
`s 1` / `s 0`	仅电流环 / 全停	`s 1`
`pid`	打印状态	`pid`
`r`	清全部 PI 积分	`r`
`cal`	零偏重校准	`cal`
`v [pwm]` / `d [0	1]`	开环（须 `s 0` 且 `w 0`）

推荐启速度闭环：

text 复制代码

t 500    # 先设低目标转速
w 1      # 启速度环（自动开电流环）

停转（勿与 w 0 混淆）：

命令	速度环	电流环	电机
`w 0`	关	保持（`curr_loop` 仍为 1）	继续按上次 `g_fm_target_iq` 转
`s 0`	关	关	停转 + 重校准
`t 0` + `w 1`	Iq→0	开	滑停

为什么 w 0 后还在转？

w 0 只关速度外环、清速度 PI，不关电流内环，也不把 g_fm_target_iq 置 0 。w 1 时速度环最后写入的 Iq 仍由电流环跟踪，电机继续转------便于切到「仅电流环」（w 0 后用 c 改 Iq）。要停转请用 s 0。

按键：速度环运行时 K3/K4 调整 RPM ±50；仅电流环时 K3/K4 调整 Iq ±200 mA。

五、主程序流程

5.1 初始化

时钟、LED、串口、ADC（零偏校准约 2 s）
bldcm_init()：TIM8 PWM + TIM5 霍尔
dq_curr_init()：默认 RPM=500、Iq=1500 mA，双环均关
确认 pid 输出 cal=1

5.2 调试流程

text 复制代码

① 上电等 3 s → pid 看 cal=1
② 仅电流环摸底：w 0 → c 1000 → s 1 → 确认能转、Iq 有跟随趋势
③ s 0 → t 300 → w 1 → 观察 RPM 向 300 靠拢、g_fm_target_iq 自动变化
④ 加载（手轻触转子）→ 看 Iq 给定上升、RPM 试图回到 SP
⑤ FreeMASTER 同时看 RPM / Iq / PWM

5.3 手工调参步骤（串口 + Scope）

原则：先电流内环、后速度外环；每次只改一个参数 ；改完 r 清积分再观察 5~10 s。

速度环主通道是代码里的 前馈 SP×1.0 mA/RPM ，ksp/ksi 只在 ±400 mA 范围内微调（见 §1.4）。

5.3.1 准备

串口（115200）：连上后等上电约 3 s，发 pid，确认 cal=1。

FreeMASTER Scope 建议同屏拖 4~6 路：

变量	看什么
`g_fm_target_rpm`	速度目标 SP
`g_fm_actual_rpm`	霍尔转速 ACT
`g_fm_target_iq`	速度环输出的 Iq 给定
`g_fm_pwm_out`	最终 PWM
`g_fm_iq_actual`	电流环反馈（会有纹波）
`g_fm_error_rpm`	SP − ACT

5.3.2 第一步：只调电流内环（lesson16 摸底）

电流环不好，速度环一定不稳。须先 w 0（或未开过速度环）。

text 复制代码

s 0                    # 全停，等 cal=1
c 800                  # Iq 给定 800 mA（空载起步）
s 1                    # 只开电流环

观察 5 s，再逐步 c 1000、c 1200... 确认能稳转。

命令	默认值	可调范围	增大后现象	减小后现象
`kpq 0.5`	Kpq=0.4	0~50	`iq_actual` 更跟手，易振荡/噪声大	跟随慢、`target_iq` 与 `pwm` 脱节
`kiq 50`	Kiq=35	0~500	静差小，易超调、Id/Iq 纹波放大	电流跟不准、力矩软
`kpd` / `kid`	0.4 / 35	同左	Id 更贴 0（六步下 Id 本就有纹波）	一般少动

电流环合格参考 （空载，c 1000）：

电机能连续转，不周期性「快停快起」
g_fm_pwm_out 在几百~三千级，不长期顶 5500
g_fm_iq_actual 有 ±几百 mA 纹波可接受，但不要长期 ±几千

调满意后：s 0 → r。

5.3.3 第二步：调速度外环

text 复制代码

t 400                  # 先给中等转速，勿一次 1000+
w 1                    # 开速度环（自动开电流环）

等 ACT 稳定 5~10 s，再试阶跃：t 300 → 等 5 s → t 500。

命令	默认值	可调范围	增大后现象	减小后现象
`ksp 1.5`	1.0	0~50	响应快，ACT 易冲过头、振荡	跟 SP 慢；对大静差作用有限
`ksi 0.25`	0.15	0~20	小误差消除快，易超调/振荡	长期偏差消得慢；仍只微调 ±400mA

若 t 400 稳定偏高 ~100 RPM（ACT≈500），单靠 ksp/ksi 往往不够 ------主因是前馈 1.0 mA/RPM 对本机偏大，需在 bsp_pid_app.h 改 FOC_SPD_IQ_FF_PER_RPM（如 0.9）重新编译。

速度环合格参考（空载）：

t 400 后 ACT 在 350~450 一带（±50 RPM 纹波可接受）
g_fm_target_iq 在 几百~一两千 mA，不长期顶 4000
g_fm_pwm_out 不周期性掉到 0（若掉 0 见 §6.4）
改 t 后 ACT 方向对（升 SP 转速升，降 SP 转速降），允许数秒滑降

5.3.4 推荐调参顺序（抄作业）

text 复制代码

# --- 电流环 ---
s 0 → pid          # cal=1
c 800 → s 1        # 能转即可
# 若抖得厉害：kiq 25 → r → 再看；仍抖：kpq 0.3
# 若跟不准：kiq 45 → r → 再看
s 0 → r

# --- 速度环 ---
t 400 → w 1
# 等 8 s，Scope 看 ACT / target_iq / pwm_out
# 略振荡：ksp 0.8 → ksi 0.1 → r
# 静差偏大：改宏 FOC_SPD_IQ_FF_PER_RPM 0.9 烧录（比加大 ksi 更有效）
t 300 → 等 5 s → t 500 → 等 5 s    # 阶跃测试

每次改参后建议：r（清积分）→ 等 5~10 s → 再 pid 看打印的 K 值是否生效。

5.3.5 串口命令与环状态速查

你想...	命令
看全部状态	`pid`
清 PI 积分	`r`
只关速度环（电机仍转）	`w 0`
停转	`s 0`
速度环运行中改 Iq	不行，须先 `w 0`
改速度 Kp/Ki	`ksp 1.0`、`ksi 0.15`（注意是 ksi 不是 kis）

六、调试与整定

6.1 算法说明（当前版）

text 复制代码

g_fm_target_rpm ──→ SP 斜坡 ──→ Iq_ff(SP×1.0) + PI微调(±400mA)
                         ↓
              电流内环 PI → Vd/Vq → InvPark → |V|→PWM（超速 duty_cap）

Scope 判读（重要）：

现象	含义
`target_iq=5500` 但 `pwm≈3000`	速度 PI 积分饱和，内环未跟上 → 已改前馈+微调
`iq_actual` ±400~500 大幅振荡	电流内环/六步 FOC 纹波，先 `w 0`+`s 1` 调 Kpq/Kiq
`pwm` 顶 5500 仍上不去	反电势/母线到顶，非速度环参数问题

6.2 「转速超不了 400，lesson11 能到 700」？

根因：PWM 映射 bug，不是电机转不动。

lesson11 速度 PI 直接输出 PWM 0~5500。lesson17 电流环把电压矢量映射为：

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旧：duty = |V| / Vbus × 5500  →  电压圆饱和时 |V|=Vbus/√3  →  duty≈3175（58%）← 你 Scope 里的值
新：duty = |V| / v_max × 5500  →  饱和时 duty=5500，与 lesson11 满量程一致

所以 ACT 卡在 ~395、pwm 长期 3175 是 FOC 占空比算错顶死（已改）。

t 300 仍 700 不降 ：六步板光减 target_iq 减不了 PWM，必须 限 duty 。现已加 duty_cap = 5500×SP/ACT；超速 >80RPM 时开环 duty。

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t 500 → ACT 应靠近 500（不再冲到 700）
t 300（从 700 转）→ pwm 应降到 ~2300，ACT 缓慢下降

先 Scope 四变量（5~10 s）：

变量	顶满说明
`g_fm_target_iq`	=5500 → 力矩饱和，需确认是否电压/PWM 也满
`g_fm_pwm_out`	旧版长期 3175 =5500/√3 → PWM 映射 bug；新版饱和应接近 5500
`g_fm_iq_actual`	远小于 `g_fm_target_iq` → 电流内环跟不准，先整定 Kpq/Kiq
`g_fm_fault_code`	≠0 → 保护关断

常见根因：

旧版 Iq 顶 3500 → 已改 5500
boot 踢动 + 速度环 → Iq 跟不准时仍强推 duty=800 → 已禁用
Ksp/Ksi 过大 + 单象限 → 略超 SP 就 Iq=0 再猛加 → 已降 Ksp/Ksi + 死区 + Iq 斜坡

6.3 推荐验证步骤

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r → t 500 → w 1              # pwm_out 应能超过 3175，ACT 往 500 升
r → t 400 → w 1 → t 200      # 降 SP：target_iq=0、pwm→0，ACT 滑降
Scope: g_fm_pwm_out, g_fm_target_iq, g_fm_actual_rpm

6.4 常见问题

现象	可能原因	处理
`t 500` / `t 200` 大幅振荡	硬滑降 Iq=0↔满 PWM；Kiq=80 过大；`ksi` 命令无效	已去掉硬滑降；Kiq→35；反馈钳位 ±2500mA
`t 300` 但 ACT 仍在 400	降 SP 需硬滑降	`target_iq=0`、`pwm→0`（仅 decel 分支）
`g_fm_target_iq` 顶在 5500	负载大或已到电压/PWM 上限	查 `g_fm_pwm_out`；先整定电流内环
160↔380 大幅振荡	Ksp 过大或内环未整定	`ksp 1.5` `ksi 0.2`；先 `w 0`+`s 1` 调电流环
`r` 后 Iq 不变	旧版 bug	当前版 `r` 会立即重算并打印 `Iq=xxx mA`
RPM 毛刺导致 Iq 跳	霍尔 6 态测速	死区 ±25 RPM + Iq 斜坡；可再略减 Ksp

6.5 速度环整定经验

现象	原因	处理
转速上升极慢	Ksp/Ksi 过小	略增 Ksp 或 Ksi
RPM 大幅振荡	Ksp 过大	减小 Ksp
转速有静差	Ksi 过小	增大 Ksi
启动过冲大	双环积分未清	启环前 `r`；降低初始 `t`
改 SP 冲击大	阶跃过猛	已有 SP 斜坡；可减小 `FOC_SPD_RAMP_STEP_RPM`

6.6 与 lesson11 / lesson16 对照

项目	lesson11 速度环	lesson17 FOC 双环
外环输出	PWM 0~5500	Iq → 电流环 → PWM
PWM 上限	5500（100%）	旧版误限 3175（58%），已改对齐 5500
700 RPM	可达	旧版 ~400 顶死；改映射后应可继续升高

6.7 安全提示

首次速度闭环请 空载、低 RPM（300~500），手勿靠近转子
异常立即 s 0 或断电
速度环运行中不要用 c 改 Iq（由 PI 自动给定）；须先 w 0

实验效果：

目前的六步换相要调电机平滑运行很困难，后面重点看SPWM调试效果。

七、本章小结

FOC 速度外环 = 霍尔 RPM 反馈 + PI 直接输出 Iq，与 DQ 电流内环构成串级双闭环（对齐 ST MCSDK 结构）。
速度环 50 ms + SP 斜坡，电流环 25 ms；先整定内环、再整定外环。
六步板 单象限无制动：降 SP 靠 Iq→0 滑降，RPM 有 ±30~50 纹波属正常。
w 1 自动开启电流环；w 0 + s 1 可退回仅电流环调试。
霍尔粗角度 + 六步驱动的限制仍在，RPM/Iq 会有纹波；后续 lesson18 SVPWM 改善执行端。

参考：野火《电机应用开发实战指南》、lesson16 DQ 双轴电流环、lesson11 速度环控制；

源码： https://gitee.com/xundh/learn-motor-stm32