电机驱动开发学习19. 霍尔 BLDC 三段式 FOC 启动算法

[一、为什么需要三段式 FOC 启动](#一、为什么需要三段式 FOC 启动)
- [1.1 三段式启动是什么](#1.1 三段式启动是什么)
- [1.2 与六步「三段启动」的区别](#1.2 与六步「三段启动」的区别)
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（相对 lesson18 新增/变更）](#3.1 目录结构（相对 lesson18 新增/变更）)
- [3.2 状态机流程](#3.2 状态机流程)
- - [阶段 1：定位（Align）](#阶段 1：定位（Align）)
  - [阶段 2：拖转（Drag）](#阶段 2：拖转（Drag）)
  - [阶段 3：运行（Run）](#阶段 3：运行（Run）)
- [3.3 关键代码](#3.3 关键代码)
四、调参与串口命令
- [4.1 串口（与 lesson18 相同，启动自动化）](#4.1 串口（与 lesson18 相同，启动自动化）)
- [4.2 FreeMASTER 建议通道](#4.2 FreeMASTER 建议通道)
- [4.3 现场整定参数（与 `bsp_foc_boot.c` 一致）](#4.3 现场整定参数（与 bsp_foc_boot.c 一致）)
五、实验现象
- [5.1 预期波形](#5.1 预期波形)
- [5.2 VOFA+ 三通道](#5.2 VOFA+ 三通道)
六、本章小结

一、为什么需要三段式 FOC 启动

lesson17/18 已实现 速度外环 + DQ 电流内环 + SVPWM ，电角度 θ 来自 霍尔 6 态 + TIM5 扇区内插值 。但在 转子静止或极低速 时，存在两个根本矛盾：

问题	原因	后果
θ 不更新	霍尔只在转子转过 60° 电角度时才跳变	Park 变换用的 θ 与实际转子位置脱节
无法直接闭环	电流环需要准确 θ 才能解耦 Id/Iq	一上电就 `s 1` / `w 1`，电机抖动、堵转或倒转

lesson16 已说明：不是 PI 公式错，而是 零速时霍尔给不了连续 θ 。

本章在 lesson18 工程基础上，增加工业界常用的 三段式启动 ，解决「从静止到稳定闭环」的衔接。

硬件输出 ：Align/Drag 与 Run 均走 六步桥单占空比 （接口 2）；SVPWM 仅在 Run 中作 FreeMASTER 扇区监视，不驱动三相 CCR。

1.1 三段式启动是什么

借鉴无感 BLDC「预定位 → 外同步加速 → 自同步切换」思路，结合 霍尔 FOC 特点，本章划分为：

阶段	英文名	θ 来源	执行方式	目标
1 定位	Align	当前霍尔扇区中心	六步固定占空比（lesson4 开环，不用 FOC）	转子对齐到已知扇区
2 拖转	Drag	软件插值 θ（扇区中心 + 步内比例）	六步定时/边沿换相 + duty 斜坡	加速到霍尔边沿可靠
3 运行	Run	霍尔 + TIM5 插值（lesson17）	FOC 速度/电流双环 + \|V\|→单占空比（六步板）	稳定闭环调速

说明：Align/Drag 在野火六步桥上刻意不用 InvPark/SVPWM（与真实导通相不匹配）；Run 阶段才是完整 FOC 双环。SVPWM 模块仍参与 扇区监视（FreeMASTER），硬件输出走 lesson17 的 |V| 映射------与 lesson11 同级 PWM 利用率，

1.2 与六步「三段启动」的区别

野火官方 六步换相 例程也有「定位 → 升频换相 → 霍尔闭环」，本章在此基础上叠加 FOC 运行阶段：

Align/Drag ：与 lesson4 相同六步开环（定位 duty + 拖转换相序），但维护 开环 θ 供监视与交接；
Drag 期间 motor_set_openloop_comm() 强制换相步，霍尔已跟上时可提前对齐；
Run ：θ 切回霍尔插值，启用 速度→Iq→电流 PI→InvPark 双环，输出 |V|→单占空比；
切换条件 （bsp_foc_boot.c，拖转满 FOC_BOOT_DRAG_MIN_MS=600 后，满足任一）：
- 霍尔边沿 ≥ 2 且 RPM ∈ $**60**, target+120$ （下限至少到 200）；
- 或强拖步数 ≥ 18 且边沿 ≥ 2 且 RPM 同上。

二、实验简介

2.1 本章目标

在 lesson18 工程基础上新增 bsp_foc_boot.c 三段式启动状态机：

w 1 / s 1 时自动执行 Align → Drag → Run，无需手动开环 v 命令；
FreeMASTER 监视 g_fm_boot_stage（0 idle / 1 align / 2 drag / 3 run / 4 fail）；
拖转失败（10 s 超时）触发 fault=3 并关断；
运行阶段保留 lesson17 速度环 + DQ 电流环；六步板上 Run 输出为 |V|→单占空比（lesson18 SVPWM 作扇区监视）。

2.2 硬件

与 lesson4~18 相同：野火骄阳 F407 + 无刷驱动板 + 霍尔 BLDC ，「无刷电机驱动接口 2」排线。

三、程序设计

3.1 目录结构（相对 lesson18 新增/变更）

复制代码

User/
├── foc/
│   ├── bsp_foc_boot.c/h   ★ 三段式启动状态机（本章核心）
│   ├── bsp_foc.c/h        ★ θ 在 Align/Drag 改读开环角
│   └── bsp_svpwm.c/h      （lesson18 沿用，Run 仅监视）
├── pid/
│   └── bsp_pid_app.c/h    ★ 启停时触发 foc_boot_request()；Run 用 |V|→duty
├── tim/
│   └── bsp_motor_tim.c/h  ★ motor_set_openloop_comm() 强制换相
└── main.c

3.2 状态机流程

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500ms
edges>=2 且 RPM>=60 或 steps>=18
10s 超时
s0 / 故障关断
复位
s0 / 故障
s0 / 故障
IDLE
ALIGN
DRAG
RUN
FAIL

阶段 1：定位（Align）

读当前霍尔态，motor_set_openloop_comm(1, hall) 强制该步六步换相；
施加固定占空比 FOC_BOOT_ALIGN_DUTY=1200 （不用 FOC / 不用 Vd）约 FOC_BOOT_ALIGN_MS=500 ms。

阶段 2：拖转（Drag）

按霍尔正转序 1→3→2→6→4→5→1 定时换相 （速率 4→22 Hz 斜坡）+ 占空比 1200→4000（每周期 +80）；
若下一霍尔态已到位，则 提前同步 强制换相步（转子跟上时不再盲拖）；
切换条件见 1.2 （最短拖转 600 ms）；超时 10 s → fail=3。
Run 阶段才启用 FOC 双闭环（Clark/Park → PI → InvPark → |V|→duty）。

阶段 3：运行（Run）

foc_get_electrical_theta()：Align/Drag 读 foc_boot_get_theta()，Run/Idle 恢复霍尔 + TIM5 插值；
foc_spd_poll：速度环 → g_fm_target_iq；
dq_curr_poll：电流环 → Vd/Vq → InvPark → dq_apply_vmag_sixstep_output()（六步板）；
svpwm_calc() 仅更新 g_fm_svpwm_sector 等监视量，不 set 三相独立 CCR 驱动桥臂。

3.3 关键代码

启动请求（bsp_foc_boot.c）

c 复制代码

/**
 * @brief FOC三段式启动：启动请求触发函数
 * @note 当系统收到电机启动指令时调用，进入三段式启动流程第一阶段【转子定位Align】
 *       适用：带霍尔传感器BLDC/内置霍尔PMSM，霍尔原始扇区作为初始位置依据
 *       三段式启动流程：ALIGN定位 → DRAG开环拖转 → RUN霍尔闭环FOC
 */
void foc_boot_request(void)
{
    // 1. 实时读取当前霍尔电平，获取霍尔原始扇区编号(0~5 六扇区)
    hall = motor_hall_read_now();

    // 2. 将开环换相步长初始化为当前霍尔扇区
    //    开环拖转阶段会基于该变量持续递增实现强制换相
    s_openloop_step = hall;

    // 3. 根据当前霍尔扇区，计算该扇区中心点电角度
    //    目的：定位阶段向中心点角度施加恒定电压，把转子牢牢吸附到该角度
    s_theta = foc_boot_hall_center_theta(hall);

    // 4. 启动状态机切换至【转子对齐阶段 ALIGN】(三段式第1阶段)
    s_stage = FOC_BOOT_ALIGN;

    // 5. 配置开环换相模式，参数1：使能开环；hall：初始霍尔扇区基准
    motor_set_openloop_comm(1U, hall);

    // 6. 施加对齐占空比，输出恒定矢量电压，执行转子定位
    //    持续通电一段时间(例500ms)，保证转子机械角度收敛到目标角度
    foc_boot_apply_duty(FOC_BOOT_ALIGN_DUTY);

    // ...后续省略：对齐阶段定时计时、超时后自动跳入开环拖转DRAG阶段
}

拖转阶段 θ 插值与切换（bsp_foc_boot.c）

c 复制代码

/* 扇区中心 + 步内比例，供 foc_get_electrical_theta() 在 Drag 期间读取 */
s_theta = foc_boot_hall_center_theta(s_openloop_step);
s_theta += (sub_ratio - 0.5f) * (FOC_PI / 3.0f);

/* 切换：边沿≥2 且 RPM≥60，或强拖步数≥18 且边沿≥2 */
if (s_hall_edges >= FOC_BOOT_HANDOVER_EDGES && rpm >= FOC_BOOT_HANDOVER_RPM)
  foc_boot_enter_run();

θ 来源切换（bsp_foc.c）

c 复制代码

float foc_get_electrical_theta(void)
{
  if (foc_boot_is_active())   /* Align / Drag */
    return foc_boot_get_theta();
  /* 霍尔 + TIM5 插值 ... */
}

开环强制换相（bsp_motor_tim.c）

c 复制代码

if (s_openloop_comm)
  bldcm_commutate(s_openloop_step);
else
  bldcm_commutate(get_hall_state());

模块	lesson11	lesson17	lesson18	lesson19（本章）
速度外环	✓ 直出 PWM	✓→Iq	✓	✓（Run 阶段）
输出映射	PWM 0~5500	\|V\|→单占空比	七段 SVPWM	Run：\|V\|→单占空比（六步板）
SVPWM	---	---	✓	仅 FreeMASTER 扇区监视
电角度	霍尔换相	霍尔中心	霍尔+插值	拖转开环 θ + 运行霍尔
启动	无	无	无	三段式状态机

四、调参与串口命令

4.1 串口（与 lesson18 相同，启动自动化）

命令	含义
`t 500`	目标 RPM 500
`w 1`	开速度环（自动三段式启动 → 闭环）
`s 1`	仅电流环（同样走三段式启动）
`s 0`	关断并重校电流零偏
`pid`	打印状态（含 boot_stage）
`?`	帮助

推荐首次上电流程：

上电等待 cal=1（电流零偏完成）
t 500 → w 1
观察串口：FOC boot start → align done -> drag → FOC boot handover
FreeMASTER 看 g_fm_boot_stage 从 1→2→3

4.2 FreeMASTER 建议通道

变量	含义
`g_fm_boot_stage`	0 idle / 1 align / 2 drag / 3 run / 4 fail
`g_fm_boot_theta_deg`	开环/运行电角度
`g_fm_boot_omega`	拖转等效电角速度（由换相频率换算）
`g_fm_boot_hall_edges`	拖转阶段霍尔边沿计数
`g_fm_target_rpm` / `g_fm_actual_rpm`	速度环（Run 后）
`g_fm_iq_actual`	拖转/运行 Iq 反馈

4.3 现场整定参数（与 `bsp_foc_boot.c` 一致）

宏	默认值	说明
`FOC_BOOT_ALIGN_MS`	500	定位时间 (ms)
`FOC_BOOT_ALIGN_DUTY`	1200	定位六步占空比（不是 Vd）
`FOC_BOOT_DRAG_DUTY_MAX`	4000	拖转占空比上限
`FOC_BOOT_DRAG_DUTY_RAMP`	80	拖转每周期 duty 增量
`FOC_BOOT_DRAG_RATE_INIT_HZ`	4	拖转换相初频 (Hz)
`FOC_BOOT_DRAG_RATE_MAX_HZ`	22	拖转换相最高频
`FOC_BOOT_DRAG_MIN_MS`	600	允许切换前最短拖转时间
`FOC_BOOT_HANDOVER_RPM`	60	切换最低 RPM
`FOC_BOOT_HANDOVER_EDGES`	2	切换最少霍尔边沿
`FOC_BOOT_HANDOVER_STEPS`	18	强拖步数备选切换条件
`FOC_BOOT_DRAG_TIMEOUT_MS`	10000	拖转超时 (ms)
`FOC_BOOT_RUN_STALL_GRACE_MS`	4000	Run 交接后堵转保护放宽

README 旧稿中的 FOC_BOOT_ALIGN_VD_V / FOC_BOOT_DRAG_IQ_MA / FOC_BOOT_OMEGA_MAX 在本工程中不存在（Align/Drag 不走 Vd/Iq FOC）。

常见问题：

拖转超时 fail=3 ：提高 FOC_BOOT_DRAG_DUTY_MAX / 加快 FOC_BOOT_DRAG_RATE_*，或略降 FOC_BOOT_HANDOVER_RPM
Run 后转速卡在 ~350、改 t 无效 ：确认 Run 走的是 dq_apply_vmag_sixstep_output（|V|），不是三相 SVPWM 直驱；可 t 700 再 w 1 复测
仍低于 lesson11 ：FOC 双环有电流限幅，属正常；可略增 FOC_SPD_IQ_FF_PER_RPM 或速度环 kp
转一点就停 / 彻底不转 ：先 s 0 再 t 600 + w 1；查看是否 Stall；交接后 4 s 内堵转保护放宽
定位时反转 ：检查霍尔线序与 MOTOR_FWD 方向

五、实验现象

5.1 预期波形

Align（~500 ms） ：θ 恒定，六步 duty=1200，转子轻微锁定；
Drag（_0.5数 s） ：θ 随换相步进爬升，g_fm_boot_omega 随换相频率上升，霍尔边沿计数递增；
Run ：g_fm_boot_stage=3，RPM 跟踪 g_fm_target_rpm，Iq 由电流环调节。

5.2 VOFA+ 三通道

速度模式：RPM_SP / RPM_ACT / Iq
电流模式：Iq_SP / Iq_ACT / PWM

六、本章小结

要点	内容
问题	零速时霍尔 θ 不更新，无法直接 FOC 闭环
方案	Align 六步定位 → Drag 六步开环拖转 → Run 霍尔 FOC（\|V\|→duty）
新增文件	`bsp_foc_boot.c/h`
改动点	`bsp_foc.c` θ 切换、`bsp_motor_tim.c` 开环换相、`bsp_pid_app.c` 启停挂钩与 \|V\| 输出
下一章	lesson20：迁到接口 1 ，Align/Drag/Run 全程真 SVPWM（不是无感观测器）

至此，野火霍尔 BLDC 接口 2 上的 FOC 双闭环 + 可靠三段启动 链路已完整。。

电机驱动开发学习19. 霍尔 BLDC 三段式 FOC 启动算法

电机驱动开发学习19. 霍尔 BLDC 三段式 FOC 启动算法

一、为什么需要三段式 FOC 启动

1.1 三段式启动是什么

1.2 与六步「三段启动」的区别

二、实验简介

2.1 本章目标

2.2 硬件

三、程序设计

3.1 目录结构（相对 lesson18 新增/变更）

3.2 状态机流程

阶段 1：定位（Align）

阶段 2：拖转（Drag）

阶段 3：运行（Run）

3.3 关键代码

四、调参与串口命令

4.1 串口（与 lesson18 相同，启动自动化）

4.2 FreeMASTER 建议通道

4.3 现场整定参数（与 bsp_foc_boot.c 一致）

五、实验现象

5.1 预期波形

5.2 VOFA+ 三通道

六、本章小结

4.3 现场整定参数（与 `bsp_foc_boot.c` 一致）