无感FOC代码: 调试简单,起转顺利

积分抗饱和运算

如果电机转速已到最大，而设定转速仍比实际转速大，转速 PI 的积分计算仍一直增加电流设定值，最终电流设定值加到上限，可能比电流实际值大很多倍。如下图电流设定值一直加到了高位 =0x0019，十进制的25，比电流实际值 Iq_Measure 的高位= 2，大了12倍多。

这时如果设定转速 RPM_Set 调到 4767 以下，电流设定值要很久才能降到电流实际值以下，而这期间转速不会下降，这就是积分饱和引起的调节滞后，不好的使用体验。




假如本次转速误差 Err_Spd =K，K>0,  
下次 PI 运算时前 Err_Spd_Last = Err_Spd = K ; 到时候若转速设定值与转速实际值一样，即 Err_Spd = 0 ;  则转速 PI 运算就是
temp32 = (Err_Spd - Err_Spd_Last)*Kp_Speed +Err_Spd*Ki_Speed = -K * Kp_Speed ;   
如果下次刚好能让“电流设定值 = 电流实际值”, 那么就不会积分饱和。

即本次转速 PI 计算的电流值若等于下式，下次转速 PI 运算就可以把增量减去，不会积分饱和


本次电流设定值 =  K * Kp_Speed + 电流实际值 = Err_Spd * Kp_Speed + 电流实际值 ;  // 这个是本次电流设定值的上限


K 值取多少呢？ 因转速控制精度1%以下，可取转速最大值的 1/64。所以有以下积分抗饱和运算代码：



这段代码的执行效果如下图，电流设定值只增加到实际值的 2.7 倍，这是下次能一次把电流误差回调到 0 的值。

电机启动流程

更新转速设定值 RPM_Set ，不是一个很紧急的事件，在 main() 主循环中，按旋钮 ADC 值确定转速设定值 RPM_Set 是多少。

在main() 主循环代码中，电机可能在同步转，也可能未在同步转。分别做如下处理：



一，如果电机在同步转（Motor_Status 的 bit4 非0)，下图331行，做以下事情：
如果 RPM_Set  <= 0,  电机在停转降速中，这时电流=0，当转速降到最小值以下或无法同步时，就去状态 1 刹车停转。
如果 RPM_Set >0,  这里不需要做什么。电流大小由SysTick 中断里、转速 PI 计算结果决定；电压角度和 PWM 输出占空比，由 ADC 中断里计算、输出。

二，如果电机未在同步转， 下图343 行，要么不需要起动(RPM_Set <= 0)，要么需要启动(RPM_Set >0)。



1>，如果不需要起动(RPM_Set <= 0)，又已在起动流程（状态3,4,5,6），则直接刹车停转(349行, 去状态1)、或关功率管(去状态0)就行了。
       如果未在启动流程，未转、也未在启转，就判断是否取消故障状态，转向开关是否变了等等。

2>，如果需要起动、又未在启动流程，执行到 390 行，先调用函数 Test_Period() 判断是否已顺风吹转，若是则跳转到状态6 顺风起转(401行)。若电机静止就跳转到状态 2 先给自举电容充电，充电结束后，在状态 2，按宏定义决定跳转到状态 3 开始快速起转、还是跳转到状态 5 普通模式起动。

     若需要启动，又已在启动流程，这里什么都不需要做，ADC 中断里、启动代码会变换状态。

代码的总体架构就是main() 里的主循环 + 两个中断，这里介绍一下这三部分之间的关系或相互之间的数据通信



每个PWM 周期产生一次 ADC 中断，转电机的代码主要在 ADC 中断里，包括电流 PI 计算。"电流 PI 运算"的电流设定值来至 SysTick 中断里"转速 PI 计算"的计算结果(同步转时), 或ADC 中断里自己决定电流设定值大小(启动时)。

SysTick 中断代码里，用转速设定值和实际值，做转速 PI 计算求出电流设定值 Iq_set_f12，Id_set_f12 由 ADC 中断代码用。既然这个全局变量，只有在同步转时 ADC 中断代码才用到，不同步时，就不做这个转速 PI 计算了，详见 SysTick 中断代码。

在 ADC 中断里，状态机的转变如下图，状态0(关功率管停转状态)不会变成其它状态，如果需要启动(转速设定值 RPM_Set >0) 要在 main() 主循环里判断，转变为状态2(静止状态启动)或状态6(顺风转时启动)



main() 主循环里，除了启动前判断一下是否已顺风转，还会做一件事：判断如果启动时出现 RPM_Set <=0, 就是又不想启动了，那就直接变状态1、立即停止启动，不必再等超时了。

转速控制 ，涉及到以下几个变量

RpmMechanical_Set ： UART转速指令、或由旋钮获得的机械转速值

RPM_Command ：  转速指令对应的电转速，但是，若Stop_Runing 非0(有异常)此值等0

RPM_Set_Target ： 控制加减速的转速设定值，此变量慢慢增加或慢慢减小，直到等于RPM_Command，范围 0~Max

RPM_Set   ：   此变量基本= RPM_Set_Target,  只是范围 Min ~ Max，停转时此值是负值，是为了加快转速PI 运算结果的电流值下降

停转时，若想降速受控，慢慢降速，就让 RPM_Command =0，电流慢慢下降。降速过程保持着同步。
停转时，若让RPM_Set_Target=0，则电流立即=0，风机会自由降速，降速过程仍保持着同步。水泵降速很快。
若让状态变量 Motor_Status =0，下个PWM 周期就关功率管，电机自由停转，降速过程不保持同步。

缺相时，电流等于0，似乎缺相不难检测出，可做起来并不容易。
正常转动时，角度=0或180度时，相电流等于0，所以不能检测到电流=0就认为是缺相。如果检测到电流=0持续一段时间才认为是缺相，则在确定缺相前，可能电机已无法正常转动，可能因观测器数据错误已关功率管了。

启动期间三相的电流差异较大，缺相的条件很难确定。若以长时间电流较小为条件,则检测多长时间合适呢？不容易确定。

实际测试还发现，断线的那相，电流ADC 数据异常波动，波动幅度已超过了轻载、低速转动的电流。 如果设置一个电流门限，低于此门限就认为是缺相，电流判断门限若设置高了，轻载低速时会误判为缺相。若门限低了，真缺相又会判断不出来。




我们最终确定的办法是，启动前在 240 度通电，通电时间参考 L/R，一般几个毫秒就可以。这时电流经 C 相流向 AB 相, 三相都有电流，AB 相电流是 C 相的一半。如果有一相电流比设定电流小一半以上, 置位一个标志，可能缺相了。 继续启动, 如果后面启动成功了，就不认为是缺相，清除标志(310行)。如果后面启动失败了，才确定是缺相(285行)，这样就减少了误判。

Angus 发表于 2025-3-12 16:58
缺相时，电流等于0，似乎缺相不难检测出，可做起来并不容易。
正常转动时，角度=0或180度时，相电流等于0， ...

思路好。不过有另外的问题，假如没有缺相，启动失败也发生了，那这时怎么判断是什么故障？

游客 58.49.24.x 发表于 2025-3-14 08:34
思路好。不过有另外的问题，假如没有缺相，启动失败也发生了，那这时怎么判断是什么故障？ ...

如果没缺相，标志 TempFlag_Open 不会写成非0，一次启动失败，会停一秒左右，再次启动。如果电机卡住了根本转不动，FailCnt 失败计数，多次失败就不再启动了（上图中 286行），需人工干预，不会报缺相故障，报多次启动失败故障。

正常情况一次就能启动成功。若负载很重，偶尔会失败一次，第二次能启动成功。

V26版，优化了启动逻辑，提速逻辑和缺相检测，并且把ADC 限流改为周期性检测和阶梯性报警。
如何做到重载启动顺利，轻载启动转速又不上冲呢？ 方法说出来其实很简单：限压。 说出这两个字有人立马就明白了，很多事就是一层窗户纸。

电机的转速与电压成正比，300V 电压轻载时若有一万转，启动时限压 30V 转速就不会高于一千转。重载时转速稍低一点，900转左右，不会太低。

以 V26 代码为例，启动时，在状态5 代码中。432行，设定限压值再跳转去状态3或状态4，开始电流拖动。一旦转起来，反电势会让实际电流下降。电流实际值可能远小于设定值，即控制处于输出饱和状态。变同步时再做调整。

转速的计算和控制一。

转速的计算： RPM 转速 = 转过的角度/一圈角度/时间，再换算成一分钟转过的圈数。

有些应用，转动是不均匀的，比如活塞式压缩机，压缩时转速变慢，回程时转速快， 计算转速要在一个机械周期内求平均。
如下图一个机械周期有四个电周期。

为了加快转速控制的响应，每转过一个扇区，我们就对前面一个机械周期——24个扇区，求平均转速，所以要保存前面24个扇区边界的角度和时间，即至少25组数据。

代码中结构体数组 Section_data[SECTION_RPM_AVERAGE +2]，保存跨过扇区边界时的角度的时间，SECTION_RPM_AVERAGE 是一个机械周期的扇区数 。


上图 N = 24 个扇区一个机械周期，如果转动在宏观上是平稳的，第 N 个扇区转动时间，将等于第 N+1个扇区的时间。这样可更快发现转速的变化，转速控制的响应将更快，这个留给有兴趣的人去测试。代码中保留了 N+1 个扇区的边界数据，即 N+2 组数据。
每次 PWM 检查一次，若跨过扇区边界就记录一下角度和PWM计数值，角度不会刚好是60度。时间用 PWM 周期个数再乘 PWM 一个周期的时间。