单片机电机控制与新能源汽车：探索电机控制在电动汽车中的应用

# 1. 单片机电机控制基础**

单片机电机控制是指利用单片机对电机进行控制，实现电机转速、扭矩、位置等参数的调节。单片机电机控制系统主要由单片机、电机驱动器、电机组成。

单片机电机控制涉及以下基本概念：

* **电机驱动器：**负责向电机提供驱动电流，控制电机的转速和扭矩。
* **单片机：**负责接收传感器信号，计算控制算法，并输出控制信号给电机驱动器。
* **电机：**将电能转化为机械能，实现转动或直线运动。

# 2. 单片机电机控制算法

电机控制算法是单片机电机控制系统中至关重要的组成部分，其性能直接影响电机的控制精度和效率。本章节将介绍两种常用的单片机电机控制算法：PID控制算法和FOC控制算法。

### 2.1 PID控制算法

**2.1.1 PID算法原理**

PID控制算法是一种经典的反馈控制算法，其基本原理是通过测量电机转速与期望转速之间的误差，并根据误差的大小和变化率来调整电机的控制信号。PID算法的控制方程如下：

u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt

其中：

* `u(t)`：控制信号
* `e(t)`：转速误差
* `Kp`：比例系数
* `Ki`：积分系数
* `Kd`：微分系数

**2.1.2 PID参数整定**

PID控制算法的性能很大程度上取决于其参数的整定。常用的PID参数整定方法有：

* **齐格勒-尼科尔斯法：**该方法通过对电机进行阶跃响应测试，来确定PID参数的初始值。
* **试错法：**该方法通过不断调整PID参数，直到获得满意的控制效果。

### 2.2 FOC控制算法

**2.2.1 FOC算法原理**

FOC控制算法是一种基于矢量控制理论的电机控制算法，其基本原理是将三相交流电机等效为两相直流电机，并通过控制两相直流电机的电流来实现对电机的控制。FOC算法的控制方程如下：

[id, iq] = [cos(θ), sin(θ)] * [ia, ib]

其中：

* `id`：d轴电流
* `iq`：q轴电流
* `ia`：a相电流
* `ib`：b相电流
* `θ`：电机的电角度

**2.2.2 FOC算法实现**

FOC算法的实现需要以下步骤：

1. **电流采样：**采集三相电流信号。
2. **坐标变换：**将三相电流信号转换为d-q轴电流信号。
3. **PI调节：**对d-q轴电流进行PI调节，以跟踪期望电流值。
4. **逆坐标变换：**将d-q轴电流信号转换为三相电流信号。
5. **PWM输出：**将三相电流信号转换为PWM信号，驱动电机。

**代码块：**

// FOC算法实现
void foc_control(void)
{
    // 1. 电流采样
    ia = adc_read(ADC_CHANNEL_A);
    ib = adc_read(ADC_CHANNEL_B);
    ic = adc_read(ADC_CHANNEL_C);

    // 2. 坐标变换
    id = cos(theta) * ia + sin(theta) * ib;
    iq = -sin(theta) * ia + cos(theta) * ib;

    // 3. PI调节
    id_error = id_ref - id;
    iq_error = iq_ref - iq;
    id_output = pid_control(id_error, id_kp, id_ki);
    iq_output = pid_control(iq_error, iq_kp, iq_ki);

    // 4. 逆坐标变换
    ia_ref = cos(theta) * id_output - sin(theta) * iq_output;
    ib_ref = sin(theta