第 6 章 FOC 完整系统整合：从算法到真机跑起来

0. 本章你能得到什么

前面 5 章我们把所有核心算法拆解开讲完了：

Clark / Park / 反 Park
Id=0 电流环
SVPWM 输出

但单独算法跑不起来电机 。本章把所有模块串成一套可直接工程化的 FOC 整机系统，包含：

硬件信号处理
电流采样 & 偏置校准
电角度获取（霍尔 / 编码器 / SMO）
速度环 + 电流环双闭环架构
FOC 安全启动逻辑
整机调度时序
真机常见故障与调试方法

学完这一章，你可以直接在 STM32 上跑出顺滑、安静、有力的 FOC 控制。

1. FOC 整机数据流总框架（一张图看懂全部）

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采样 → 校准 → Clark → Park → 电流环PI → 反Park → SVPWM → PWM输出
   ↑                                                        |
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角度获取 ← 霍尔/编码器/观测器                             硬件驱动

完整控制层级：

速度环（外环）：给定目标转速 → 输出 Iq 指令
电流环（内环）：跟踪 Id=0、Iq = 指令 → 输出 Vd/Vq
调制层：Vα/Vβ → SVPWM → 三相 PWM

2. 电流采样与硬件预处理（FOC 稳定性根基）

2.1 采样拓扑

三相下桥臂串联采样电阻
运放差分放大 / 同向放大
单电源偏置：1.65V 或 2.5V

2.2 电流物理意义

ADC 原始值 → 减去偏置 → 得到实际电流：

2.3 上电自动校准（必须做）

电机静止、PWM 关闭时，连续采 N 点平均，得到零电流偏置。

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#define CALIB_TIMES 1024

void Current_Offset_Calib(void)
{
    uint32_t sum_u = 0, sum_v = 0;
    for(int i=0; i<CALIB_TIMES; i++)
    {
        sum_u += ADC_GetValue(ADC_U);
        sum_v += ADC_GetValue(ADC_V);
    }
    Offset_U = sum_u / CALIB_TIMES;
    Offset_V = sum_v / CALIB_TIMES;
}

2.4 实时电流计算

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Iu = (ADC_GetValue(ADC_U) - Offset_U) * Current_Gain;
Iv = (ADC_GetValue(ADC_V) - Offset_V) * Current_Gain;
Iw = -Iu - Iv;

3. 电角度 θ 获取（FOC 的 "方向盘"）

没有正确角度，FOC 必抖、必啸叫。

3.1 霍尔传感器方式（最常用、最简单）

3 个霍尔信号 H1/H2/H3 对应 6 个扇区，每个扇区 60° 电角度。

霍尔状态表：

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101 → 扇区1
100 → 扇区2
110 → 扇区3
010 → 扇区4
011 → 扇区5
001 → 扇区6

再根据转速做线性插值，得到平滑 θ。

3.2 编码器方式（高精度）

ABZ 正交编码
机械角度 → 电角度：

4. Park / Clark 全局统一坐标系（重中之重）

整个 FOC 必须一套坐标系走到黑：

α 轴对齐 U 相
θ 为 d 轴与 U 相夹角
旋转方向：逆时针为正
所有变换公式符号不能混用

任何一处符号反了，都会：

电机无力
电流巨大
低速抖动
飞车

5. 双闭环控制架构（速度环 + 电流环）

5.1 电流环（内环，最快）

频率：通常 10kHz / 16kHz / 20kHz（与 PWM 同周期）
输入：Iα, Iβ, θ
输出：Vα, Vβ

Id_ref = 0
Iq_ref = 速度环输出

Vd = PID_Id(0, Id)
Vq = PID_Iq(Iq_ref, Iq)

5.2 速度环（外环，慢）

频率：1kHz 左右
输入：目标转速、实际转速
输出：Iq 电流限幅指令

Speed_Err = Speed_Target - Speed_Real
Iq_Ref = PID_Speed(Speed_Err)

5.3 限幅保护（必须加）

Iq 最大限幅：防止过流
速度限幅：防止飞车
电压限幅：防止过调制

6. FOC 安全启动流程

电机不能一上电就进 FOC，必须按步骤来：

阶段 1：硬件初始化

GPIO、ADC、TIM_PWM、中断、看门狗
电流偏置校准

阶段 2：角度对齐（关键）

给固定矢量，强制转子锁死到已知角度：

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Vq = 0
Vd = 额定电压10%~20%
保持300ms~500ms

让转子磁极对准 d 轴，θ=0 对齐。

阶段 3：开环拖动（低速启动）

固定 Iq 小电流
角度 θ 手动匀速递增
让转子跟着磁场转起来
达到一定转速后切闭环 FOC

阶段 4：闭环运行

切换到：

霍尔 / 编码器真实角度
双闭环正常工作

阶段 5：故障保护

过流
过压 / 欠压
过温
启动失败
丢步 / 失步

任一触发 → 立即关 PWM。

7. 中断调度时序（MCU 实际运行逻辑）

典型 STM32 方案：

PWM 中心对齐中断（最高优先级）
- ADC 同步采样电流
- FOC 算法计算
- 更新 SVPWM 占空比
定时中断 1ms
- 速度计算
- 速度环 PI
- 保护逻辑
主循环
- 按键、指令、通信
- 调试打印、监控

8. 完整 FOC 主函数伪代码

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// 全局变量
float Iu, Iv, Iw;
float Ialpha, Ibeta;
float Id, Iq;
float Vd, Vq;
float Valpha, Vbeta;
float theta;
float speed_real;
float Iq_Ref;

void FOC_MainLoop(void)
{
    // 1. 初始化
    Hardware_Init();
    Current_Offset_Calib();

    // 2. 转子对齐
    align_rotor();

    // 3. 开环拖动
    open_loop_drag();

    // 4. 正式闭环
    while(1)
    {
        // 速度环 1ms
        if(flag_1ms)
        {
            flag_1ms = 0;
            speed_real = Get_Speed();
            Iq_Ref = PID_Calc(&PID_Speed, Speed_Target, speed_real);
        }
    }
}

// PWM中断 = FOC核心计算
void PWM_Center_IRQHandler(void)
{
    // 1. 采样电流
    Iu = (ADC_U - Offset_U) * Gain;
    Iv = (ADC_V - Offset_V) * Gain;
    Iw = -Iu - Iv;

    // 2. Clark
    Clark(Iu, Iv, Iw, &Ialpha, &Ibeta);

    // 3. 角度获取
    theta = Get_Elec_Angle();

    // 4. Park
    Park(Ialpha, Ibeta, theta, &Id, &Iq);

    // 5. 电流环PI
    Vd = PID_Calc(&PID_Id, 0.0f, Id);
    Vq = PID_Calc(&PID_Iq, Iq_Ref, Iq);

    // 6. 反Park
    InvPark(Vd, Vq, theta, &Valpha, &Vbeta);

    // 7. SVPWM
    SVPWM_Calc(Valpha, Vbeta);
}

9. 真机上电 90% 必遇问题（调试宝典）

9.1 电机一叫就抖，不转

角度方向反了
Hall 顺序接反
Park 公式符号错误

9.2 电机能转，但无力、发热大

Id 没有置 0
电流采样增益不对
角度有偏差
SVPWM 扇区计算错误

9.3 低速抖，高速正常

角度插值不够平滑
电流环 PI 参数太弱
死区太大
采样噪声大

9.4 上电直接过流

运放相位反
PWM 输出极性反
上下管直通
采样偏置未校准

9.5 转着转着丢步、失控

速度环参数过大
电流限幅太小
角度跳变
电源压降太大

10. PI 参数调试顺序（黄金步骤）

先调电流环
- Kp 从小到大
- 直到电流无超调、响应快
再调速度环
- 先 I=0，调 Kp
- 再加 Ki 消除静差
最后优化低速平滑性
- 角度滤波
- 电流滤波
- 死区补偿

11. 本章总结

FOC 不是堆算法，而是系统工程：

电流采样是根基
角度是方向盘
双闭环是核心
启动逻辑是安全底线
统一坐标系是灵魂

按本章流程做出来的 FOC：

启动顺滑无冲击
低速安静无啸叫
高速有力不抖动
效率高、发热小