单片机控制直流电机：FOC算法在实际应用中的优化：5个技巧提升FOC算法性能

# 1. FOC算法在单片机控制直流电机中的应用

FOC（Field Oriented Control）算法是一种先进的电机控制技术，它通过对电机磁场进行定向控制，实现对电机速度和转矩的高精度控制。在单片机控制直流电机中，FOC算法具有以下优势：

- **高控制精度：**FOC算法能够精确控制电机的速度和转矩，实现平滑稳定的运行。
- **高效率：**FOC算法通过优化电机的磁场利用率，提高了电机的效率，降低了能耗。
- **低噪声：**FOC算法能够有效抑制电机产生的噪声和振动，提高运行的平稳性。

# 2. FOC算法的优化技巧

FOC算法在单片机控制直流电机中具有良好的性能，但仍有进一步优化的空间。本章将介绍几种优化FOC算法的技巧，包括优化PWM调制策略、优化电流环控制和优化速度环控制。

### 2.1 优化PWM调制策略

PWM调制策略决定了电机绕组的通断顺序和占空比，对电机的性能有直接影响。常用的PWM调制策略包括空间矢量调制和正交调制。

#### 2.1.1 空间矢量调制

空间矢量调制（SVM）是一种先进的PWM调制策略，它通过计算电机定子磁场空间矢量的位置和大小来生成PWM信号。SVM具有以下优点：

- 降低谐波失真
- 提高电机效率
- 减小转矩脉动

**代码块：**

// 空间矢量调制算法
void SVM(float u_alpha, float u_beta) {
  // 计算空间矢量角度
  float theta = atan2(u_beta, u_alpha);

  // 根据角度选择扇区
  int sector = (int)(theta / (2 * PI / 3));

  // 计算开关状态
  switch (sector) {
    case 0:
      // ...
      break;
    case 1:
      // ...
      break;
    // ...
  }
}

**逻辑分析：**

该代码块实现了空间矢量调制算法。它首先计算电机定子磁场空间矢量的角度，然后根据角度选择扇区，并根据扇区计算开关状态。

**参数说明：**

- `u_alpha`：定子磁场空间矢量的α分量
- `u_beta`：定子磁场空间矢量的β分量

#### 2.1.2 正交调制

正交调制是一种简单的PWM调制策略，它将正弦波和余弦波调制为PWM信号。正交调制具有以下优点：

- 易于实现
- 谐波失真较低

**代码块：**

// 正交调制算法
void PWM(float u_a, float u_b) {
  // 计算PWM占空比
  float duty_a = u_a / V_dc;
  float duty_b = u_b / V_dc;

  // 设置PWM占空比
  TIM_SetCompare1(TIM1, (uint16_t)(duty_a * TIM1_ARR));
  TIM_SetCompare2(TIM1, (uint16_t)(duty_b * TIM1_ARR));
}

**逻辑分析：**

该代码块实现了正交调制算法。它首先计算PWM占空比，然后设置PWM占空比。

**参数说明：**

- `u_a`：正弦波幅值
- `u_b`：余弦波幅值
- `V_dc`：直流母线电压
- `TIM1_ARR`：定时器自动重装载值

### 2.2 优化电流环控制

电流环控制是FOC算法的核心，它负责控制电机的电流。常用的电流环控制方法包括PID控制和观测器。

#### 2.2.1 PID控制器的设计

PID控制器是一种经典的控制算法，它通过比例、积分和微分项来调节电机的电流。PID控制器的设计需要考虑以下因素：

- **比例增益（Kp）：**控制环的响应速度
- **积分增益（Ki）：**消除稳态误差
- **微分增益（Kd）：**提高环路的稳定性

**代码块：**

// PID电流控制器
void PID_Current(float i_d, float i_q, float i_d_ref, float i_q_ref) {
  // 计算误差
  float e_d = i_d_ref - i_d;
  float e_q = i_q_ref - i_q;

  // 计算控制量
  float u_d = Kp * e_d + Ki * e_d_int + Kd * (e_d - e_d_prev);
  float u_q = Kp * e_q + Ki * e_q_int + Kd * (e_q - e_q_prev);

  // 更新误差积分
  e_d_int += e_d * dt;
  e_q_int += e_q * dt;

  // 更新上一次误差
  e_d_prev = e_d;
  e_q_prev = e_q;
}

**逻辑分析：**

该代码块实现了PID电流控制器。它首先计算误差，然后计算控制量。控制量由比例项、积分项和微分项组成。最后，更新误差积分和上一次误差。