2. FOC开环电压控制

任务目标

本案例使用SVPWM（空间矢量脉宽调制）生成开环电压矢量，驱动三相无刷电机以设定的电角度速度旋转。通过逐步改变电角度并施加对应的电压矢量，验证电机能够跟随指令产生基本运动。该案例不涉及电流采样或闭环反馈，仅验证FOC驱动链路中最基础的电压输出环节。

所需硬件与依赖

• STM32F405/F407开发板（或其他支持高级定时器的MCU）
• 三相逆变桥（如DRV8301、L6234等）及对应驱动电路
• 无刷直流电机（带霍尔或增量编码器，本案例仅需电机能转动即可）
• 直流母线电源（12V~24V）
• HAL库或标准外设库（本代码使用HAL库）

核心实现

以下代码实现SVPWM开环控制：主循环中按固定步长递增电角度，计算三相占空比并更新定时器比较寄存器。SVPWM采用七段式注入零矢量，调制比固定为0.6以保证线性调制区。

// svpwm_openloop.c
#include "main.h"
#include "svpwm_openloop.h"

// 电角度步长（弧度/控制周期）
#define ANGLE_STEP 0.05f
// 调制比（0~1.15）
#define MODULATION_INDEX 0.6f
// 母线电压（V）
#define VBUS 12.0f

static float angle = 0.0f;

// SVPWM扇区判断与占空比计算
void SVPWM_Calc(float alpha, float Ualpha, float Ubeta, uint32_t *dutyA, uint32_t *dutyB, uint32_t *dutyC) {
    float U1 = Ubeta;
    float U2 = -0.5f * Ubeta + 0.866f * Ualpha;
    float U3 = -0.5f * Ubeta - 0.866f * Ualpha;

    uint8_t sector = 0;
    if (U1 > 0) sector |= 1;
    if (U2 > 0) sector |= 2;
    if (U3 > 0) sector |= 4;

    float Ta, Tb, Tc;
    float Ts = 1.0f / 20000.0f; // 20kHz PWM频率

    // 根据扇区计算各相导通时间
    switch (sector) {
        case 1: Ta = U1; Tb = U2; Tc = U3; break;
        case 2: Ta = U2; Tb = U1; Tc = U3; break;
        case 3: Ta = U2; Tb = U3; Tc = U1; break;
        case 4: Ta = U3; Tb = U2; Tc = U1; break;
        case 5: Ta = U3; Tb = U1; Tc = U2; break;
        case 6: Ta = U1; Tb = U3; Tc = U2; break;
        default: Ta = 0; Tb = 0; Tc = 0; break;
    }

    // 七段式零矢量注入
    float Tmin = 0.0f;
    float Tmax = Ts;
    float Tavg = (Ta + Tb + Tc) / 3.0f;
    Ta -= Tavg;
    Tb -= Tavg;
    Tc -= Tavg;

    // 转换为定时器计数值（ARR=1000）
    uint32_t arr = 1000;
    *dutyA = (uint32_t)((Ta / Ts) * arr);
    *dutyB = (uint32_t)((Tb / Ts) * arr);
    *dutyC = (uint32_t)((Tc / Ts) * arr);
}

// 开环控制主函数（在定时器中断或主循环中周期调用）
void OpenLoop_Step(void) {
    // 递增电角度
    angle += ANGLE_STEP;
    if (angle > 6.2832f) angle -= 6.2832f;

    // 由电角度生成alpha-beta轴电压
    float Ualpha = MODULATION_INDEX * VBUS * 0.5f * cosf(angle);
    float Ubeta  = MODULATION_INDEX * VBUS * 0.5f * sinf(angle);

    // 计算三相占空比
    uint32_t dutyA, dutyB, dutyC;
    SVPWM_Calc(angle, Ualpha, Ubeta, &dutyA, &dutyB, &dutyC);

    // 更新定时器比较寄存器（以TIM1为例）
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, dutyA);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, dutyB);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_3, dutyC);
}

// 初始化PWM输出
void OpenLoop_Init(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    HAL_TIM_PWM_Start(htim, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(htim, TIM_CHANNEL_2);
    HAL_TIM_PWM_Start(htim, TIM_CHANNEL_3);
}

运行与验证

1. 将上述代码加入工程，确保TIM1的PWM频率配置为20kHz（ARR=1000，预分频根据时钟计算）。
2. 在main函数中调用OpenLoop_Init(&htim1)，然后在主循环或定时器中断中周期调用OpenLoop_Step()。
3. 给电机供电，观察电机是否持续旋转。

通过条件：电机以恒定方向连续旋转，无卡顿或剧烈振动。若电机不转，检查母线电压是否足够、PWM频率是否在10kHz~30kHz范围内、调制比是否过大导致过调制。若电机反转，交换任意两相电机线即可。

预期输出：电角度以0.05rad/步递增，对应机械转速取决于电机极对数。例如4极对电机，控制周期1ms时，电转速为0.05rad/ms=50rad/s，机械转速约为12.5rad/s（约119rpm）。该数值由代码逻辑直接推出，实际转速会因负载和母线电压略有偏差。