记录驱动三相无刷电机的过程

2026/6/10·920 字·4 分钟阅读

嵌入式开发

原理

简单来说就是电生磁，磁场的方向可以根据 右手螺旋定则 又称 安培定则 来判断，然后根据磁铁的同斥异吸产生的力，就可以带动磁铁旋转起来，这篇文章不做详细解释，只记录自己写代码和思考的过程

三相无刷电机结构图

硬件购买

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2804电机 + AS5600编码器 + FOC驱动板(MS8313芯片)

六步换相开环驱动

代码如下：

void test1(void)
{
    static uint8_t step;

    U_Enable;
    V_Enable;
    W_Enable;
    switch (step)
    {
    case 0:
        U_HIGH;
        W_LOW;
        V_Disable;
        break;
    case 1:
        U_HIGH;
        V_LOW;
        W_Disable;
        break;
    case 2:
        W_HIGH;
        V_LOW;
        U_Disable;
        break;
    case 3:
        W_HIGH;
        U_LOW;
        V_Disable;
        break;
    case 4:
        V_HIGH;
        U_LOW;
        W_Disable;
        break;
    case 5:
        V_HIGH;
        W_LOW;
        U_Disable;
        break;
    default:
        break;
    }
    if (++step >= 6)
        step = 0;
}

调用

while (1)
{
    if (sysCnt >= 10)
    {
        sysCnt = 0;
        if (++stepCnt >= 500) // 500ms调用一次
        {
            stepCnt = 0;
            test1();
        }
    }
}

很显然，电机是一步一步走的，非常卡顿，并且是开环控制，我并不知道转到哪里了，接下来是我一步一步的优化和思考过程

testMotorDriver函数的调用频率问题

现在电机是一步一步走的，是因为我是500ms调用的，这让我有了思考，如果我把调用频率加快，它是不是就可以快速转动起来了，于是我改成1ms调用：

while (1)
{
    if (sysCnt >= 10)
    {
        sysCnt = 0;
        if (++stepCnt >= 500) // 500ms调用一次
        {
            stepCnt = 0;
        }
        test1();
    }
}

发现电机速度并没有加快，并且抖动特别厉害这个可能是由于换相过快，电机根本追不上来，盲目换相，导致的电机剧烈抖动

接下来一步一步实现闭环控制

了解机械角度和电角度的概念

机械角度: 转轴实际转过的物理角度。转一整圈就是 360°，和极数无关。

电角度: 以绕组感应电势的一个完整周期为 360° 来度量的角度。转子每扫过一对 N-S 磁极，定子绕组里的电势就经历一次完整的正弦周期，这就是一个"电角度 360°"。

核心公式:

电角度 = 机械角度 . 极对数

为什么需要两个角度？

机械角度用于描述转速、位置（如编码器读数、转子机械位置）。 电角度用于换相控制（六步换相、FOC 矢量控制）。驱动器需要知道当前电角度来决定哪一相该通电、电流矢量的方向等。

使用AS5600读取转子的位置

uint16_t AS5600_ReadRawAngle(void)
{
    uint8_t high, low;
    uint16_t raw_angle;

    IIC_Start();

    IIC_SendAddr(AS5600_ADDR << 1);

    IIC_SendByte(AS5600_RAW_ANGLE_HIGH);

    IIC_Start();

    IIC_SendAddr((AS5600_ADDR << 1) | 0x01);

    IIC_Ack();

    high = IIC_ReadByte();

    IIC_Nck();

    low = IIC_ReadByte();

    IIC_Stop();

    raw_angle = (((uint16_t)high << 8) | low) & 0x0FFF;

    return raw_angle;
}

uint16_t AS5600_ReadAngle(void)
{
    return (uint16_t)((uint32_t)AS5600_ReadRawAngle() * 3600 / 4096);
}

根据转子位置驱动无刷电机

void test2(void)
{
    uint16_t angle = AS5600_ReadAngle();
    uint16_t e_angle = (uint16_t)((angle * POLE_PAIRS) % 3600);
    uint8_t step = e_angle / 600;

    U_Enable;
    V_Enable;
    W_Enable;
    switch (step)
    {
    case 0:
        U_HIGH;
        W_LOW;
        V_Disable;
        break;
    case 1:
        U_HIGH;
        V_LOW;
        W_Disable;
        break;
    case 2:
        W_HIGH;
        V_LOW;
        U_Disable;
        break;
    case 3:
        W_HIGH;
        U_LOW;
        V_Disable;
        break;
    case 4:
        V_HIGH;
        U_LOW;
        W_Disable;
        break;
    case 5:
        V_HIGH;
        W_LOW;
        U_Disable;
        break;
    default:
        break;
    }
}

将test2函数1ms调用一次，发现速度已经可以提上来了，但是噪音很大，

于是我上网查找噪音大的原因：

转矩脉动大：六步换相将360°电角度分为6个60°扇区，每步仅两相通电、第三相悬空，输出方波/梯形波电流。换相瞬间一相突断、一相突通，电感导致电流突变形成转矩冲击，每转产生6次脉冲，典型转矩脉动约13%。
磁场方向跳跃：定子磁场非连续旋转，而是每60°“跳”一次。大部分时间磁场与转子磁场不垂直，产生无用径向分力拉扯定子铁心引发振动。
谐波含量高：方波电流谐波丰富，直接转化为电磁噪声和机械振动。

磁场定向控制

原理解析

就是生成一个旋转的磁场带动转子转动，U、V、W三相物理位置上面可以等效为相差120°，我用动画演示一下：

制作正弦表

用到的数学公式：

$sin(θ+d) = sinθ . cosd + cosθ . sind$

$cos(θ+d) = cosθ . cosd - sinθ . sind$

$\cos x = \pm\sqrt{1 - \sin^2 x}$

代码如下：

// 正弦表生成
void sin_generate(int16_t *sin_table, uint16_t table_size)
{
    /* 步长 d = 2π/256:  cos(d)≈0.999699,  sin(d)≈0.024531 */
    // 注意：如果单片机空间不够用，这里最好是减少步长的精度，因为这里会生成一个大数组
    // 由于浮点单片机不好算，这里转换成整型去算
    const int16_t cosd = 32758; /* 0.999699 * 32768 */
    const int16_t sind = 803;    /* 0.024531 * 32768 */

    // 初始时的x为0°
    int16_t sinx = 0;
    int16_t cosx = 32767;
    int32_t s_next, c_next;

    for (uint16_t i = 0; i < table_size; i++)
    {
        sin_table[i] = sinx;

        s_next = (int32_t)(sinx * cosd) + (int32_t)(cosx * sind);
        c_next = (int32_t)(cosx * cosd) - (int32_t)(sinx * sind);

        sinx = (int16_t)(s_next >> 15);
        cosx = (int16_t)(c_next >> 15);
    }

    /* 强制修正关键点, 消除256步累计误差: 0°/90°/180°/270° */
    sin_table[0]   = 0;
    sin_table[64]  = 32767;
    sin_table[128] = 0;
    sin_table[192] = -32767;
}

控制代码

// SPWM参数
int16_t sin_table[SIN_TABLE_SIZE];
uint16_t speed_duty = 0; // 软起动: 从0爬升到SPEED_DUTY

uint16_t sin_to_pwm(int16_t sin, uint16_t amplitude)
{
    /* sin∈[-32767,32767] -> duty = PWM_PERIOD/2 ± amplitude, 中心对齐SPWM */
    int32_t duty = (PWM_PERIOD / 2) + (((int32_t)sin * amplitude) / 32768);
    if (duty < 0) duty = 0;
    if (duty >= PWM_PERIOD) duty = PWM_PERIOD - 1;
    return (uint16_t)duty;
}

void test_vector(void)
{
    uint16_t angle = AS5600_ReadAngle();
    uint16_t e_angle = (uint16_t)((angle * POLE_PAIRS) % PWM_PERIOD);
    uint8_t idx = (uint8_t)((uint32_t)e_angle * SIN_TABLE_SIZE / PWM_PERIOD);


    // 设置idx和offset都是0，然后读取此时的电角度(uint8_t)((uint32_t)e_angle * SIN_TABLE_SIZE / PWM_PERIOD)这个值是145，使用256-145+64得到offset
    uint16_t offset = 175;

    U_Enable;
    V_Enable;
    W_Enable;

    TIM2->CCR1 = sin_to_pwm(sin_table[(uint8_t)(idx + IDX_OFF_U + offset) % SIN_TABLE_SIZE], speed_duty);
    TIM2->CCR2 = sin_to_pwm(sin_table[(uint8_t)(idx + IDX_OFF_V + offset) % SIN_TABLE_SIZE], speed_duty);
    TIM2->CCR3 = sin_to_pwm(sin_table[(uint8_t)(idx + IDX_OFF_W + offset) % SIN_TABLE_SIZE], speed_duty);
}

这样做后，发现还是有噪音，应该还有哪里不对，我先去网上找找成熟的方案学习一下