STM32电机控制编程实战：PWM、FOC和闭环控制解析

# 1. STM32电机控制基础

STM32电机控制是利用微控制器（MCU）来控制电动机的技术。它广泛应用于工业自动化、机器人技术和消费电子产品中。本章将介绍电机控制的基础知识，包括电机的类型、电机控制的原理和STM32 MCU在电机控制中的优势。

### 1.1 电机的类型

电机按其工作原理可分为直流电机和交流电机。直流电机使用直流电，而交流电机使用交流电。根据转子的类型，交流电机又可分为同步电机和异步电机。

### 1.2 电机控制的原理

电机控制的基本原理是通过调节电机输入的电压或电流来控制其速度和转矩。对于直流电机，可以通过调节电枢电压或励磁电流来控制其速度和转矩。对于交流电机，可以通过调节定子电压或频率来控制其速度和转矩。

# 2. PWM技术在电机控制中的应用

### 2.1 PWM原理及实现

脉宽调制（PWM）是一种通过改变脉冲宽度来控制输出电压或电流的调制技术。在电机控制中，PWM用于控制电机的转速和转矩。

**PWM原理：**

PWM通过将一个周期性方波的脉冲宽度进行调制，来控制输出的平均值。当脉冲宽度增大时，输出的平均值也增大；当脉冲宽度减小时，输出的平均值也减小。

**PWM实现：**

STM32微控制器具有专用的PWM外设，可以方便地生成PWM波形。PWM外设可以配置以下参数：

- **时钟源：**PWM时钟源可以是内部时钟或外部时钟。
- **分频系数：**PWM时钟可以进行分频，以降低PWM频率。
- **计数模式：**PWM计数模式可以是向上计数或向下计数。
- **比较值：**PWM比较值决定了脉冲宽度。

### 2.2 PWM波形参数设置

PWM波形参数包括：

- **频率：**PWM波形的频率，单位为赫兹（Hz）。
- **占空比：**PWM波形中高电平所占的比例，范围为0%~100%。
- **死区时间：**PWM波形中高电平和低电平之间的间隔时间，单位为纳秒（ns）。

**参数设置：**

PWM波形参数的设置需要根据电机的特性和控制要求进行调整。一般来说，PWM频率越高，电机的响应速度越快；PWM占空比越大，电机的转速越高；PWM死区时间越长，电机的噪声越小。

### 2.3 PWM在电机控制中的应用实例

PWM在电机控制中的应用实例包括：

- **直流电机控制：**通过控制PWM占空比，可以控制直流电机的转速。
- **交流电机控制：**通过控制PWM波形，可以控制交流电机的转速和转矩。
- **步进电机控制：**通过控制PWM脉冲序列，可以控制步进电机的转动角度和速度。

**代码示例：**

#include "stm32f10x.h"

void PWM_Init(void)
{
    // 初始化PWM时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 设置PWM分频系数
    TIM_PrescalerConfig(TIM2, 72, TIM_PSCReloadMode_Immediate);

    // 设置PWM计数模式
    TIM_CounterModeConfig(TIM2, TIM_CounterMode_Up);

    // 设置PWM比较值
    TIM_SetCompare1(TIM2, 100);

    // 使能PWM输出
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

**代码逻辑分析：**

- `PWM_Init()`函数用于初始化PWM外设。
- `RCC_APB1PeriphClockCmd()`函数使能PWM时钟。
- `TIM_PrescalerConfig()`函数设置PWM分频系数。
- `TIM_CounterModeConfig()`函数设置PWM计数模式。
- `TIM_SetCompare1()`函数设置PWM比较值。
- `TIM_Cmd()`函数使能PWM输出。

# 3. FOC技术在电机控制中的应用

### 3.1 FOC原理及算法

FOC（矢量控制）是一种先进的电机控制技术，它通过对电机电流和电压进行矢量分解，实现对电机转子的精确控制。FOC算法的核心思想是将三相交流电机等效为一个两相直流电机，并通过控制两相直流电机的电流来控制电机的转速和转矩。

FOC算法主要包括以下步骤：

1. **坐标变换：**将三相交流电机的电流和电压从三相坐标系变换到两相直流坐标系。
2. **电流环控制：**通过PI调节器控制两相直流电机的电流，使其跟踪给定电流参考值。
3. **电压环控制：**通过PI调节器控制两相直流电机的电压，使其跟踪给定电压参考值。
4. **逆坐标变换：**将两相直流坐标系的电流和电压变换回三相交流坐标系。

### 3.2 FOC算法的实现

FOC算法的实现主要涉及以下几个方面：

1. **坐标变换：**可以使用Clarke变换和Park变换实现坐标变换。
2. **电流环控制：**可以使用PI调节器实现电流环控制。