FOC 无刷电机驱动代码详解：原理、实现与参数调试

以下是一个简单的 FOC 无刷驱动代码，用于控制三相无刷直流电机。详细的注释在代码中。

// 定义电机相位A、B、C的引脚
#define PHASE_A_PIN 9
#define PHASE_B_PIN 10
#define PHASE_C_PIN 11

// 定义 FOC 算法参数
float theta_e = 0;  // 电机电角度
float theta_c = 0;  // 电机机械角度
float theta_e_old = 0;
float theta_c_old = 0;
float d_theta_e = 0;
float d_theta_c = 0;
float dt = 0.001;   // 采样时间
float Kp = 0.1;     // 位置环比例系数
float Ki = 0.01;    // 位置环积分系数
float Kd = 0.01;    // 位置环微分系数
float Kp_current = 0.1;  // 电流环比例系数

// 定义电机控制变量
float V_alpha = 0;  // alpha 轴电压
float V_beta = 0;   // beta 轴电压
float I_alpha = 0;  // alpha 轴电流
float I_beta = 0;   // beta 轴电流
float I_q = 0;      // q 轴电流
float I_d = 0;      // d 轴电流
float V_dc = 12;    // 直流电压

void setup() {
  pinMode(PHASE_A_PIN, OUTPUT);
  pinMode(PHASE_B_PIN, OUTPUT);
  pinMode(PHASE_C_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  // 读取电机电角度
  theta_e_old = theta_e;
  theta_e = read_theta_e();
  d_theta_e = (theta_e - theta_e_old) / dt;
  
  // 计算电机机械角度
  theta_c_old = theta_c;
  theta_c = theta_e * POLES / 180.0;
  d_theta_c = (theta_c - theta_c_old) / dt;
  
  // 计算位置环控制量
  float error = 0 - theta_c;
  float P = Kp * error;
  float I = Ki * error * dt;
  float D = Kd * (d_theta_c - d_theta_e);
  float V_q_ref = P + I + D;
  
  // 计算电流环控制量
  float V_q_error = V_q_ref - I_q * R_s;
  float V_d_ref = Kp_current * V_q_error;
  
  // 计算 alpha、beta 轴电压
  float sin_theta = sin(theta_e * PI / 180.0);
  float cos_theta = cos(theta_e * PI / 180.0);
  V_alpha = V_d_ref * cos_theta - V_q_ref * sin_theta;
  V_beta = V_d_ref * sin_theta + V_q_ref * cos_theta;
  
  // 计算 alpha、beta 轴电流
  I_alpha = (sqrt(3) / 3) * (I_a - I_b / 2 - I_c / 2);
  I_beta = (sqrt(3) / 3) * (I_b - I_c);
  
  // 计算 d、q 轴电流
  I_d = I_alpha * cos_theta + I_beta * sin_theta;
  I_q = -I_alpha * sin_theta + I_beta * cos_theta;
  
  // 计算 PWM 占空比
  float V_a = V_dc / sqrt(3) * cos(theta_e * PI / 180.0 + PI / 6);
  float V_b = V_dc / sqrt(3) * cos(theta_e * PI / 180.0 - PI / 2);
  float V_c = V_dc / sqrt(3) * cos(theta_e * PI / 180.0 + PI / 2 + PI / 6);
  float duty_a = V_a / V_dc;
  float duty_b = V_b / V_dc;
  float duty_c = V_c / V_dc;
  
  // 输出 PWM 信号
  analogWrite(PHASE_A_PIN, duty_a * 255);
  analogWrite(PHASE_B_PIN, duty_b * 255);
  analogWrite(PHASE_C_PIN, duty_c * 255);
}

// 读取电机电角度
float read_theta_e() {
  // 读取编码器或霍尔传感器的输出，计算电机电角度
}

FOC 无刷驱动的原理是，通过电机电角度信息，将三相电流转换到 d、q 两个轴上，然后通过位置环和电流环控制 d、q 轴电流，最后将 d、q 轴电压转换为 alpha、beta 轴电压，进而控制三相电流。在代码中，首先读取电机电角度信息，然后根据电机极数计算机械角度，接着使用位置环控制 d 轴电流，电流环控制 q 轴电流，计算 alpha、beta 轴电压，最后将 alpha、beta 轴电压转换为 PWM 占空比，输出到对应的引脚上。

在 FOC 无刷驱动中，电机参数对控制效果有很大影响，因此需要根据具体的电机进行参数调试。同时，为了提高控制效果，还可以添加速度环、加速度环等辅助控制环。

代码中关键参数解释：

POLES：电机极对数
R_s: 电机定子电阻
Kp, Ki, Kd: 位置环比例、积分、微分系数
Kp_current: 电流环比例系数

参数调试建议：

首先根据电机参数设定 POLES 和 R_s
初始设定 Kp, Ki, Kd, Kp_current 为较小的值，例如 0.1
通过观察电机运行状态，调整参数，使电机能够稳定运行并达到预期的性能
可以使用 PID 调试工具或其他方法进行更精细的调整

注意事项：

确保编码器或霍尔传感器能够准确地测量电机电角度
选择合适的 PWM 频率和占空比，以确保电机能够稳定运行
注意电机过热问题，必要时添加散热装置