ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结

文章目录

      • HALL_Init_Electrical_Angle()
      • Clark 变换
      • 获取电流
      • park 变换 , 逆park变换
      • 逆park变换的幅度限制
      • 扇区计算 https://www.zhihu.com/people/Temo/posts
      • 每个相位的执行时间计算 (如果自己记录的不够清楚,可以打开同目录。资源文件目录下的:svpwm_知乎文章_详细.pdf)

ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第1张图片
ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第2张图片


HALL_Init_Electrical_Angle()

  • 关于电角度的理解,我的另外一篇博文有介绍。自己去看

  • XOR 波形输出
    ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第3张图片


  • hall sensor 的输出状态。

    • 由下图可知道不同电平,转子在不同的扇区,以 s t a t e X = H 3 < < 2 ∣ H 2 < < 1 ∣ H 1 stateX=H3<<2|H2<<1|H1 stateX=H3<<2∣H2<<1∣H1 为例,在图中,state 5在第一扇区,下图是逆时针旋转,
      ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第4张图片
  • 将65536 分成306度。取代浮点。那么 65535 360 代表 1 ° \frac{65535}{360}代表 1\degree 36065535代表

  • void TIM3_IRQHandler(void)
    代码解析

    • switch(bHallState),这里只有5,3,6.为什么? 因为stm32F1系列只有单边沿计数捕获。所以只有三种状态。根据xor信号可以看出,在触发下降沿的时候,H3<<2|H2<<1|H1 = 5 ,3, 6

    • 正反转,代码和上图结合看,是逆时针是正方形

    •   case 5:
        if(bSpeed<0)
        {
          //在下一行基础上加60度,因为每个扇区正好是60度。下面都是这样的
          hElectrical_Angle = (s16)(S16_PHASE_SHIFT+S16_60_PHASE_SHIFT);
        }
        else if(bSpeed!= ERROR)
        {
          hElectrical_Angle = S16_PHASE_SHIFT;  
        }
      

      这里电角度我的理解是,假如正转(逆时针)。那么case:5的时候,是第一次到达0,也就是上图中的水平x方向,也就是电角度的0度, 反方向的时候,是顺时针过来的,到case:5的时候,角度是60度。在加上S16_PHASE_SHIFT(这个是A相的最大饭店董事和H1上升沿的角度延迟)。如下图
      ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第5张图片
      ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第6张图片


    • 同理

        case 3:
        if(bSpeed<0)
        {
          //在下一行基础上加60度,因为每个扇区正好是60度。下面都是这样的
          hElectrical_Angle = (s16)(S16_PHASE_SHIFT+S16_120_PHASE_SHIFT+
                                                S16_60_PHASE_SHIFT);
        }
        else if(bSpeed!= ERROR)
        {
          hElectrical_Angle =(s16)(S16_PHASE_SHIFT + S16_120_PHASE_SHIFT);
        }
      

      在case=3的时候,正方向的时候(逆时针)到120度的时候,正好满足刚好到3. 同理负方向(顺时针)需要再加60度,正好一个扇区。

    • s16 HALL_GetRotorFreq ( void )
      +

              PeriodMeasAux = GetAvrgHallPeriod();
              hRotorFreq_dpp = (s16)((u16) (PSEUDO_FREQ_CONV /
                                                    PeriodMeasAux.wPeriod));
              hRotorFreq_dpp *= PeriodMeasAux.bDirection;               
      
      

      P S E U D O _ F R E Q _ C O N V = ( C K T I M ∗ 10 ) / 3 S A M P L I N G _ F R E Q ∗ 10 ⋅ 2 16 PSEUDO\_FREQ\_CONV=\frac{(CKTIM*10) / 3}{SAMPLING\_FREQ * 10}\cdot 2^{16} PSEUDO_FREQ_CONV=SAMPLING_FREQ10(CKTIM10)/3216
      理解hRotorFreq_dpp:
      C K T I M w P e r i o s \frac{CKTIM}{wPerios} wPeriosCKTIM也就是得出捕获输入的频率

      C K T I M w P e r i o s ⋅ S A M P L I N G _ F R E Q \frac{CKTIM}{wPerios\cdot SAMPLING\_FREQ } wPeriosSAMPLING_FREQCKTIM也就是得PWM周期的频率

      C K T I M 3 ⋅ w P e r i o s ⋅ S A M P L I N G _ F R E Q \frac{CKTIM}{3\cdot wPerios\cdot SAMPLING\_FREQ } 3wPeriosSAMPLING_FREQCKTIM除以3也就是得PWM周期的状态频率,因为只有下降沿触发,所有只有3个状态,3个状态对应着一圈也就是 2 π 2\pi 2π

      最后乘以 2 16 2^{16} 216也就是将电角度转化为65535大小。也就是每 2 π 2\pi 2π是65535大小


Clark 变换

  • Curr_Components Clarke(Curr_Components Curr_Input)

  • 坐标系(这里和匠心科技的手册不一样,手册是 I β I_\beta Iβ向上的):


    ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第7张图片

I α = k ( I a − c o s ( 60 ) ∗ I b − c o s ( 60 ) ∗ I c ) I_\alpha = k(I_a-cos(60)*I_b-cos(60)*I_c) Iα=k(Iacos(60)Ibcos(60)Ic)
I β = k ( c o s ( 30 ) ∗ I c − c o s ( 30 ) ∗ I b ) I_\beta = k(cos(30)*I_c-cos(30)*I_b) Iβ=k(cos(30)Iccos(30)Ib)
I a + I b + I c = 0 I_a+I_b+I_c = 0 Ia+Ib+Ic=0
结合上面3个公式可得:
I α = I a I β = − I a + 2 ∗ I b 3 I_\alpha = I_a \qquad I_\beta = -\frac{I_a+2*I_b}{\sqrt{3}} Iα=IaIβ=3 Ia+2Ib

  • 数据格式:
    • 这里用的都是Q15格式的。也就是1位是符号位,15位是小数位。Q15转浮点除以2^15 = 327678. 浮点转Q15 乘以32768
    • 两个Q15 相乘后,等于浮点数*2^30 次,所以要转化为Q15还需要再除以2^15=32768 才能转换为Q15 格式。
    • 为什么一开始qIa_divSQRT3_tmp 要除以sqrt(3),这是因为最后求得时候还要除,这里是简化了。

获取电流

  • Curr_Components SVPWM_3ShuntGetPhaseCurrentValues(void)

  • ADC1->JDR1 << 1 原因:我们是注入组左对齐,因此右移3位才是真实的转换值。电流采样值的Q15格式为:((ADC1->JDR1<<1)>>4)/4096Vref2^15=((((ADC1->JDR1<<1)>>4)>>12)*Vref)<<15=ADC1->JDR1<<1. 因为左对齐中,数据有效位为bit3-bit14,共12位。Vref=2(假设的,不影响)hPhaseAOffset 为Q15格式的零点电流。

  • 个人认为代码中wAux = (s32)(hPhaseAOffset)- ((ADC1->JDR1)<<1);是有问题的,应该反过来才对,再st foc 5.3中就是反过来的,所以这里的电流是负值。

park 变换 , 逆park变换

  • Curr_Components Park(Curr_Components Curr_Input, s16 Theta)

  • 坐标系(这里和匠心科技的手册不一样,手册是 I β I_\beta Iβ向上的):
    ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第8张图片


    park transform
    I q = I α ∗ c o s ( θ ) − I β ∗ s i n ( θ ) I_q = I_\alpha*cos(\theta)-I_\beta*sin(\theta) Iq=Iαcos(θ)Iβsin(θ)
    I d = I α ∗ s i n ( θ ) + I β ∗ c o s ( θ ) I_d = I_\alpha*sin(\theta)+I_\beta*cos(\theta) Id=Iαsin(θ)+Iβcos(θ)


    rev park transform ,逆park变换用于电压。
    V α = V q ∗ c o s ( θ ) + V d ∗ s i n ( θ ) V_\alpha = V_q*cos(\theta)+V_d*sin(\theta) Vα=Vqcos(θ)+Vdsin(θ)
    V β = − V q ∗ s i n ( θ ) + V d ∗ c o s ( θ ) V_\beta = -V_q*sin(\theta)+V_d*cos(\theta) Vβ=Vqsin(θ)+Vdcos(θ)


逆park变换的幅度限制

  • void RevPark_Circle_Limitation(void)

  • ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第9张图片

  • 上图可知,当PID的输出V_q,V_d 的模大于极限的时候,需要等比例缩放。


    PID 输出为 V q − p i d V d − p i d V_{q-pid} \quad V_{d-pid} VqpidVdpid ,经过限制后的输出为 V q − o u t V d − o u t V_{q-out} \quad V_{d-out} VqoutVdout
    必定有:
    MAXMODULEM = 32768 * 调制比
    V q − p i d V q − o u t = V q − p i d 2 + V d − p i d 2 M A X M O D U L E M 2 \frac{V_{q-pid}}{V_{q-out}}=\sqrt{\frac{V_{q-pid}^2+V_{d-pid}^2}{MAXMODULEM^2}} VqoutVqpid=MAXMODULEM2Vqpid2+Vdpid2

    V d − p i d V d − o u t = V q − p i d 2 + V d − p i d 2 M A X M O D U L E M 2 \frac{V_{d-pid}}{V_{d-out}}=\sqrt{\frac{V_{q-pid}^2+V_{d-pid}^2}{MAXMODULEM^2}} VdoutVdpid=MAXMODULEM2Vqpid2+Vdpid2



    st这里就是查表求右边的倒数,记为S_cof.

个人猜测ST源代码里提供了一种巧妙的思路,先假定ST的单位矢量圆半径是32768,即当Vq,Vd的合成矢量满足满调制比时,合成矢量的大小为32768,由此可得出从PID环节输出来的Vq_pid和Vd_pid能够合成的电压矢量范围为0— V q − p i d 2 + V d − p i d 2 = 2 ∗ 3276 8 2 \sqrt{V_{q-pid}^2 + V_{d-pid}^2 }=\sqrt{2*32768^2} Vqpid2+Vdpid2 =2327682 ,注意,这个范围远远超出了电压调制范围,因此需要在内部加一个限制,以此为基础有:

  • 将0—$ {2*32768^2} $ 划分成128等分;

  • 设定最大调制比为0.98,则得出满足调制的最大电压矢量MAX_MODULE(约为32111),当Vq_pid和Vd_pid 达到可以合成的最大电压矢量时,即满足 V q − p i d 2 + V d − p i d 2 = M A X M O D U L E M 2 {V_{q-pid}^2 + V_{d-pid}^2 }=MAXMODULEM^2 Vqpid2+Vdpid2=MAXMODULEM2 ,此时在128等分中为第61个,即这128等分的前61个电压矢量是可以被利用的。(61是怎么来的?32111^2 正好在0-2*32768^2 划分的128个位置的第61个位置)

  • 因为只有当合成矢量大于限制圆时,才需要限制,即处于128等分的后67等分里才需要处理,所以只需要对后67个等分对应的S_cof列表即可。

  • ST代码中先计算PID环节出来后电压矢量所处的等分点区间,然后减去限制圆内的等分点个数,得到在67个等分点范围内的节点号,再去查表得到S_cof,然后重新计算 V q − p i d V d − p i d {V_{q-pid}\quad V_{d-pid}} VqpidVdpid

void RevPark_Circle_Limitation(void)
{
	s32 temp;
	//计算Vd^2+Vq^2             
	temp = Stat_Volt_q_d.qV_Component1 * Stat_Volt_q_d.qV_Component1 
             + Stat_Volt_q_d.qV_Component2 * Stat_Volt_q_d.qV_Component2;  // min value 0, max value 2*32767*32767
              
	if ( temp > (u32)(( MAX_MODULE * MAX_MODULE) ) ) // 如果(Vd^2+Vq^2)大于MAX_MODULE^2,就要进行比例缩小
	{
		u16 index; //假设Vq=x*32767, Vd=y*32767
		          
		//理解在同目录.md文件里
		temp /= (u32)(512*32768);  // min value START_INDEX, max value 127,缩小64倍
		temp -= START_INDEX ;   // min value 0, max value 127 - START_INDEX
		index = circle_limit_table[(u8)temp];
		temp = (s16)Stat_Volt_q_d.qV_Component1 * (u16)(index); //使用缩小系数来缩小Vq
		Stat_Volt_q_d.qV_Component1 = (s16)(temp/32768);  
		temp = (s16)Stat_Volt_q_d.qV_Component2 * (u16)(index); 
		Stat_Volt_q_d.qV_Component2 = (s16)(temp/32768);  
	}

} 

  •   temp /= (u32)(512*32768);  
    
    代码理解。因为是对232768^2 (因为上面代码中是两个Q15的数相加,所以是两倍)划分,那么每份的大小等于232768^2/128 = 512*32768
  •   temp -= START_INDEX ;   // min value 0, max value 127 - START_INDEX
    
    这里的START_INDEX 说明在当前调制百分比下,MAX_MODULE^2(MAX_MODULE=32768*调制比)所在的位置(128个之中的哪一个)

扇区计算 https://www.zhihu.com/people/Temo/posts

  • void SVPWM_3ShuntCalcDutyCycles (Volt_Components Stat_Volt_Input)

  • 坐标系参考, U β U_\beta Uβ 朝下
    ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第10张图片


  • 代码分析

        void SVPWM_3ShuntCalcDutyCycles (Volt_Components Stat_Volt_Input)
        {
            s32 wX, wY, wZ, wUAlpha, wUBeta;
            u16  hTimePhA=0, hTimePhB=0, hTimePhC=0, hTimePhD=0;
            u16  hDeltaDuty;
              
            wUAlpha = Stat_Volt_Input.qV_Component1 * T_SQRT3 ;
            wUBeta = -(Stat_Volt_Input.qV_Component2 * T);

            wX = wUBeta;
            wY = (wUBeta + wUAlpha)/2;
            wZ = (wUBeta - wUAlpha)/2;
          
            // Sector calculation from wX, wY, wZ
            if (wY<0)
            {
                if (wZ<0)
                {
                    bSector = SECTOR_5;
                }
                else // wZ >= 0
                  if (wX<=0)
                  {
                      bSector = SECTOR_4;
                  }
                  else // wX > 0
                  {
                      bSector = SECTOR_3;
                  }
            }
            else // wY > 0
            {
                if (wZ>=0)
                {
                    bSector = SECTOR_2;
                }
                else // wZ < 0
                if (wX<=0)
                {  
                    bSector = SECTOR_6;
                }
                else // wX > 0
                {
                    bSector = SECTOR_1;
                }
            }
        }
  

  • 解读: 在以上代码中,可以得到
    w X = − U β wX = -U_\beta \quad wX=Uβ
    w Y = − U β + 3 U α 2 wY=\frac{-U_\beta+\sqrt{3}U_\alpha}{2} wY=2Uβ+3 Uα
    w Z = − U β + 3 U α 2 wZ = \frac{-U_\beta+\sqrt{3}U_\alpha}{2} wZ=2Uβ+3 Uα


    然后令 w X = 0 w Y = 0 w Z = 0 wX=0 \quad wY = 0 \quad wZ=0 wX=0wY=0wZ=0 则得到三条直线如上图所示。然后根据如图所示的比较关系判断扇区。扇区从第一象限逆时针开始。

每个相位的执行时间计算 (如果自己记录的不够清楚,可以打开同目录。资源文件目录下的:svpwm_知乎文章_详细.pdf)

  • 假设在第一象限
    ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第11张图片

    ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第12张图片

    ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第13张图片


    如上图所示:
    U 6 = U 4 = 2 ⋅ U d c 3 . . . . ( 1 ) U_6=U_4 = \frac{2\cdot U_{dc}}{3} ....(1) U6=U4=32Udc....(1)


    U α ⋅ T s = U 4 ⋅ T 4 + U 6 ⋅ c o s ( 60 ) ⋅ T 6 . . . . ( 2 ) U_{\alpha}\cdot T_s = U_4\cdot T_4 + U_6 \cdot cos(60)\cdot T_6 ....(2) UαTs=U4T4+U6cos(60)T6....(2)

    − U β ⋅ T s = U 6 ⋅ s i n ( 60 ) ⋅ T 6.. ( 3 ) -U_{\beta}\cdot T_s = U_6 \cdot sin(60)\cdot T6..(3) UβTs=U6sin(60)T6..(3)
    这里有负号的原因是 β 轴是向下的,所以 U β 是负数,这里需要转正 这里有负号的原因是\beta轴是向下的,所以U_\beta是负数,这里需要转正 这里有负号的原因是β轴是向下的,所以Uβ是负数,这里需要转正

    (1)(2)(3)可得,同时(2)(3)同时除以 3 U d c \frac{\sqrt{3}}{U_{dc}} Udc3 .:
    T 4 = T s ( 3 U α + U β 2 ) T_4={T_s}(\frac{\sqrt{3}U_\alpha + U_\beta}{2}) T4=Ts(23 Uα+Uβ)

    T 6 = T s ( − U β ) T_6=T_s(-U_\beta) T6=Ts(Uβ)

    ∵ w X = − T ⋅ U β w Y = − T ⋅ U β + 3 ⋅ T ⋅ U α 2 w Z = − T ⋅ U β − 3 ⋅ T ⋅ U α 2 \because wX=-T\cdot U_\beta \quad wY=\frac{-T\cdot U_\beta+\sqrt{3}\cdot T \cdot U_\alpha}{2} \quad wZ=\frac{-T\cdot U_\beta-\sqrt{3}\cdot T \cdot U_\alpha}{2} wX=TUβwY=2TUβ+3 TUαwZ=2TUβ3 TUα
    and T s = 2 ⋅ T T_s=2\cdot T Ts=2T

    因为计数器是上下计数的,所以代码中的T只有周期一半

    ∴ \therefore
    T 4 = 2 T ( 3 U α + U β 2 ) T_4={2T}(\frac{\sqrt{3}U_\alpha + U_\beta}{2}) T4=2T(23 Uα+Uβ)
    T 6 = 2 T ( − U β ) T_6=2T(-U_\beta) T6=2T(Uβ)
    ∴ T 0 2 = T s − T 4 − T 6 4 = T − T 4 − T 6 2 = T − T ( 3 U α + U β 2 ) + T ⋅ U β 2 = T + T U β − 3 U α 2 2 \therefore \frac{T_0}{2}=\frac{T_s-T_4-T_6}{4}=\frac{T-T_4-T_6}{2}=\frac{T-T(\frac{\sqrt{3}U_\alpha + U_\beta}{2})+T\cdot U_\beta}{2}=\frac{T+T\frac{U_\beta-\sqrt{3}U_\alpha}{2}}{2} 2T0=4TsT4T6=2TT4T6=2TT(23 Uα+Uβ)+TUβ=2T+T2Uβ3 Uα

    以上算的是实际的时间,但是ST里面求得是寄存器比较值。也就是某一相的时间,也即hTimePhA。
    ∵ T = T s 2 \because T=\frac{T_s}{2} T=2Ts
    h T i m e P h A = T − T 0 2 = T − ( T − T 4 − T 6 2 ) = T + T 4 + T 6 2 = T + T ( 3 U α + U β 2 ) − T ⋅ U β 2 = T + T ( 3 U α − U β 2 ) 2 = T + w X − w Z 2 hTimePhA = T-\frac{T_0}{2}=T-(\frac{T-T_4-T_6}{2})=\frac{T+T_4+T_6}{2}=\frac{T+T(\frac{\sqrt{3}U_\alpha + U_\beta}{2})-T\cdot U_\beta}{2}=\frac{T+T(\frac{\sqrt{3}U_\alpha-U_\beta}{2})}{2}=\frac{T+wX-wZ}{2} hTimePhA=T2T0=T(2TT4T6)=2T+T4+T6=2T+T(23 Uα+Uβ)TUβ=2T+T(23 UαUβ)=2T+wXwZ

    h T i m e P h B = T − T 0 2 − T 4 2 = h T i m e P h A − T 4 2 = h T i m e P h A − T 3 U α + U β 2 = h T i m e P h A − ( − w Z ) = h T i m e P h A + w Z hTimePhB = T-\frac{T_0}{2} -\frac{T_4}{2}=hTimePhA -\frac{T_4}{2}=hTimePhA-T\frac{\sqrt{3}U_\alpha+U_\beta}{2}=hTimePhA-(-wZ) = hTimePhA+wZ hTimePhB=T2T02T4=hTimePhA2T4=hTimePhAT23 Uα+Uβ=hTimePhA(wZ)=hTimePhA+wZ

    h T i m e P h C = T − T 0 2 − T 4 2 − T 6 2 = h T i m e P h B − T 6 2 = h T i m e P h B − T ( − U β ) = h T i m e P h B − w X hTimePhC = T-\frac{T_0}{2} -\frac{T_4}{2}-\frac{T_6}{2}=hTimePhB-\frac{T_6}{2}=hTimePhB-T(-U_\beta)=hTimePhB-wX hTimePhC=T2T02T42T6=hTimePhB2T6=hTimePhBT(Uβ)=hTimePhBwX

    注解: 这里的因为计数器是上下计数的,所以代码中的T是实际上是 T s 2 \frac{T_s}{2} 2Ts . 注意上面的额式子中(2)(3)中已经都除以 3 U d c \frac{\sqrt{3}}{U_{dc}} Udc3


  • 假设在第一扇区,那么算出来的hTimePhA,hTimePhB,hTimePhC都是运行时间,怎么和PWM匹配的?
    ST 2.0 霍尔FOC 的相关难点总结_第14张图片

    如图所示,三个时间控制的是有效电平。那么是在下三角区域有效的。这个地方很容易搞错。
    比如上图的,周期是 perios(ARR)=4800. ,CH1的hTimePhA(CCR1)=800.采用PWM1模式,即CNT < ARR 的时候s输入有效电平。也即高电平,大于的时候输出无效电平。

  • 为什么要除以131072。 131072 = 2^15*4. 因为代码中的T= 4*pwm_perios. 那么在扇区一中的计算代码为 h T i m e P h A = T 8 + T + w X − W z 2 2 15 ∗ 4 = p w m _ p e r i o s 2 + p w m _ p e r i o s w X − w Z 2 + T 2 ∗ 2 15 ∗ 4 hTimePhA=\frac{T}{8}+\frac{\frac{T+wX-Wz}{2}}{2^{15}*4}=\frac{pwm\_perios}{2}+pwm\_perios\frac{wX-wZ}{2}+\frac{T}{2*2^{15}*4} hTimePhA=8T+21542T+wXWz=2pwm_perios+pwm_perios2wXwZ+22154T 尾巴项和推导对不上,但是尾巴项的取值范围不到1.可以忽略不计,感觉是故弄玄虚。

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