📚 课程目录第3章速度闭环控制基础

3. 速度闭环控制基础

任务目标

在InstaSPIN-FOC速度闭环模式下，通过实验方法整定PID参数（Kp、Ki），使电机能够快速达到设定转速并保持稳定运行，无明显振荡与稳态误差。

环境与依赖

硬件：支持InstaSPIN-FOC的C2000 LaunchPad（如LAUNCHXL-F28069M）+ BOOSTXL-DRV8301电机驱动板 + 三相PMSM电机（如HP 400W伺服电机或低惯量PMSM）
软件：CCS（Code Composer Studio）10.x及以上，MotorWare或C2000Ware中的InstaSPIN例程工程
关键文件：proj_lab10.c（速度闭环例程），user.h（用户参数配置）

实现原理与整定流程

速度闭环采用PI控制器，输出为电流环的转矩参考值。整定目标是使速度响应快、超调小、稳态无静差。本案例采用先内环后外环的整定顺序：先确认电流环已由InstaSPIN自动辨识并稳定，再手动整定速度环PI参数。

关键完整代码

以下代码在proj_lab10.c的速度环ISR中实现PI控制器，并开放两个全局变量用于在线调参（通过CCS的Expression Window实时修改）：

// 速度环PI参数（可在CCS调试界面实时修改）
float32_t Kp_spd = 0.5f;   // 比例增益
float32_t Ki_spd = 0.05f;  // 积分增益

// 速度环PI控制器（在ISR中调用，频率为10kHz）
void speedLoopPI(float32_t speedRef, float32_t speedFb)
{
    static float32_t integral = 0.0f;
    float32_t error = speedRef - speedFb;
    
    // 抗积分饱和：限制积分项输出范围
    float32_t maxIntegral = 0.5f;  // 与电流环最大转矩指令相关
    integral += Ki_spd * error;
    if (integral > maxIntegral) integral = maxIntegral;
    if (integral < -maxIntegral) integral = -maxIntegral;
    
    // PI输出 = 比例项 + 积分项
    float32_t torqueRef = Kp_spd * error + integral;
    
    // 限幅到电流环允许范围（-1.0 ~ 1.0，对应额定转矩）
    if (torqueRef > 1.0f) torqueRef = 1.0f;
    if (torqueRef < -1.0f) torqueRef = -1.0f;
    
    // 写入电流环参考（全局变量，由电流环ISR读取）
    gTorqueRef = torqueRef;
}

在user.h中确认以下配置已启用速度闭环模式：

#define SPEED_LOOP_ENABLE   1   // 使能速度环
#define ISR_FREQUENCY_HZ    10000 // 速度环ISR频率

运行与整定步骤

编译工程并烧录至LaunchPad，打开CCS的Expression Window，添加变量Kp_spd、Ki_spd、gSpeedRef（设定转速）和gSpeedFb（反馈转速）。
初始设定Kp_spd = 0.2，Ki_spd = 0.01，给定转速gSpeedRef = 1000 RPM（或电机额定转速的30%）。
运行电机，观察gSpeedFb的响应曲线（可用CCS Graph工具）。
先调Kp：逐步增大Kp（每次增加0.1），观察是否出现振荡。当转速出现等幅振荡时，取当前Kp的50%~60%作为最终Kp。
再调Ki：在确定Kp后，逐步增大Ki（每次增加0.01），观察稳态误差是否消除。若出现低频振荡，则减小Ki至振荡消失。
微调：在额定转速和轻载/满载条件下分别验证，确保系统在工况变化下仍稳定。

验证方法与通过标准

启动响应：给定阶跃转速指令，电机应在1~2秒内达到设定值，超调量小于10%。
稳态精度：稳定运行后，gSpeedFb与gSpeedRef的偏差小于±5 RPM（或设定值的0.5%）。
抗扰能力：手动施加短暂负载（如用手轻捏电机轴），转速跌落应小于50 RPM并在1秒内恢复。
无振荡：在整定范围内，速度波形无持续等幅振荡。

常见问题

电机啸叫或电流过大：Kp过大导致转矩指令振荡，立即减小Kp。
转速缓慢爬升无法到达设定值：Ki过小，增大Ki。
转速超调后长时间振荡：Ki过大，减小Ki并适当增加Kp。

完成上述整定后，速度闭环即达到稳定运行要求。若需进一步优化动态响应，可引入微分项（Kd），但PMSM速度环通常PI已足够，Kd会放大噪声，不建议优先使用。