本次作品使用立创天空星STM32F407VXT6开发板制作一款无刷电机扩展板来进行无刷电机的学习控制板，支持12-24V直流输入（实测USB-5V输入时也可进行简单电机控制学习）；板载两路三相独立半桥电机驱动，六路电流检测通道可更直观了解克拉克逆变换的三相电流变化。板载两路I2C编码器接口、两路SPI编码器接口（支持3V3与5V电源切换，可适配更多型号的编码器）与一路霍尔传感器接口；增加NTC温度测量、WS2812彩灯、0.96TFT彩屏、三脚拨轮开关、蜂鸣器、CAN接口与串口接口，方便进行人机交互。使用嘉立创彩色丝印工艺对板载接口进行彩色标识符提示，在此感谢嘉立创为广大电子爱好者提供更好的开源平台。

　　因时间原因，对FOC的学习一直断断续续的，仅初步接触没有系统学完，部分理论属于个人思考仅供参考还需请大佬指点，后续有时间继续补充完善项目例程与知识分享。

二、项目学习

1.学习资料

灯哥开源【手把手教写FOC算法】视频

欧拉电子【STM32G4 FOC开发实战—FOC开发套件简介】视频

DENGFOC官方文档

Simple FOC中文官网

【CubeMX-HAL库】STM32F407—无刷电机学习笔记

Gitee测试例程分享

2.硬件部分

①主控部分

引出两路SPI、两路I2C、一路霍尔接口、六路ADC、六路高级定时器PWM、一路CAN接口、一路串口、SPI屏幕接口、彩灯接口、拨码按键、蜂鸣器、NTC电阻配合开发板自带FLASH、SD卡、USB接口用户按键供学习使用。

②电源部分

供电使用5ｍｍ间距螺钉式接线端子，使用德州仪器TPS54331DDAR支持7-28V供电降压5V最大可支持3A电流输出，3.3V使用常见的AMS1117，主打一个性价比降压。2.49￥/PCS、0.26￥/PCS

、

③驱动部分

栅极驱动采用屹晶微的EG2133一款高性价比三相独立半桥驱动芯片，EG2133高端的工作电压可达300V，低端VCC的电源电压范围宽4.5V～20V，该芯片具有闭锁功能防止输出功率管同时导通，输入通道HIN和LIN 内建了一个下拉和上拉电阻，在输入悬空时使上、下功率MOS管处于关闭状态，输出电流能力IO +1.2A/-1.4A，BLDC学习时也极大提高了电路驱动的安全性。3.28￥/PCS

MOS管则采用无锡新洁能的NCE3010SNMOS场效应管，漏源电压30V，连续漏极电流10A。0.874￥/PCS

④电流采集部分

为了更好的对无刷电机进行学习，本项目设计三路电流ADC采集，使用德州仪器的INA240A2PWR一款单路50V/V增益400KHz的电流检测放大器，更加方便的验证无刷电机旋转时的三相电流大小。12.16￥/PCS

⑤端子部分

为了更集成化进行接线，外部接口均采用2.54端子进行接线，设计2路I2C接口、2路SPI接口、1路霍尔接口，并增加拨动开关支持3.3V/5V便于修改编码器供电。并预留NTC温度采集电阻。电机接线部分采用螺钉式端子压线，并预留2.54孔径便于示波器采集信号。

⑥其他外设部分

增加CAN通信、串口通信部份，设计WS2812彩灯、0.96TFT彩屏、三角拨轮开关与蜂鸣器电路。

3.知识分享

FOC主要通过输入电机力矩Iq，经过帕克逆变换求得Iα，Iβ，然后通过克拉克逆变换求得iA，iB，iC输出到电机中。

Ⅰ、克拉克变换

三相sin状波形降级为二维平面内双变量Iα,Iβ形式。

①克拉克变换基本形式

②克拉克变换等幅值形式

论文或资料中的克拉克变换往往都会乘上一个系数：如(等幅值变换系数)，或(等功率变换系数)。

③克拉克变换等幅值证明

证明：当A输入-1A的电流时，根据基尔霍夫电流定律，iB、iC电流为A，通过克拉克变换计算得Iα为。

所以为了让式子等辐值，即使得A相-1A时，反应在α轴上的电流也是-1A，我们就得乘上系数，使得iA=Iα。所以得到了克拉克变换的等幅值形式。

④克拉克变换等幅值推算

在推算式子中我们消去了变量iC，正是因为基尔霍夫电流定律的存在，我们只需要知道两相电流就能够求解得到第三相的电流，进而可以省去一相电流采集硬件。

Ⅱ、克拉克逆变换

克拉克变换将三相电iA，iB，iC转换成二维坐标形式的Iα，Iβ。

克拉克逆变换则是将二维坐标Iα，Iβ再通过运算换为三相电iA，iB，iC。

①克拉克等幅值形式逆变换

Ⅲ、帕克变换

①帕克变换数学模型

帕克变换将电机旋转的物理状态通过数学转换转变为Iα，Iβ。

三相线圈是实际三相电流的流动模型，通过在定子上建立α-β坐标系可转化出Iα，Iβ二维向量。然后在坐标系中叠加转子，当转子不动时Iα，Iβ是定值，但是当转子开始旋转后Iα，Iβ开始不断变化。

所以再建立一个随转子转动的Q-D坐标系。Q-D坐标系转动时与α-β坐标系构成的夹角θ就被称为电角度。所以知道电角度θ就很容易将Q-D坐标系上的值映射到α-β坐标系上。

②帕克变换

将α-β坐标系映射到Q-D坐标系

Ⅳ、帕克逆变换

Ⅴ、FOC总结

将帕克变化拆分得到关于Iα，Iβ的关系式，式子中电角度θ是由编码器实时测出的所以已知，IQ，ID是有方向的矢量再加上电角度，所以可以看成为旋转的矢量。

通常在简单的FOC应用中，我们只需要控制IQ的电流大小，而把ID设置为0。此时，IQ的大小间接就决定了定子三相电流的大小，进而决定了定子产生磁场的强度。进一步我们可以说，它决定了电机产生的力矩大小。电机产生力矩后会绕中轴旋转，从而编码器读取的角度开始变化，然后新电角度再通过计算会得到新的IQ。

IQ是旋转的矢量，同时IQ又会间接影响磁场的强度，这正是FOC的名称磁场定向控制的由来。

Ⅵ、SVPWM简介

欧拉电子FOC－B站视频

SVPWM原理及实现学习笔记

稚晖君【自制FOC驱动器】深入浅出讲解FOC算法与SVPWM技术 - 知乎

基于stm32f427实现SVPWM控制永磁同步开环转动 - andy_fly - 博客园

袁玉斌 - 电控入门 - 知乎

SVPWM 全称是空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation），核心是通过控制逆变器开关管的通断，合成一个逼近圆形旋转的电压空间矢量，从而驱动电机产生平稳的旋转磁场。

SVPWM 的工作过程可简化为 3 个关键步骤，本质是 "选矢量、算时间、定序列"：

①扇区判断：根据电机控制需求的 "参考电压矢量"，确定其在空间坐标系（α-β 坐标系）中所处的扇区（共 6 个扇区，对应 6 个有效基本矢量）。

②矢量作用时间计算：利用 "伏秒平衡" 原理，计算该扇区内相邻两个有效基本矢量，以及零矢量（不产生有效磁场的矢量）的作用时间，确保合成的矢量等效于参考电压矢量。

③开关序列生成：按照特定规则（如 "最小开关动作" 原则），排列有效矢量和零矢量的导通顺序，生成逆变器开关管的 PWM 驱动信号，控制开关管通断。

Ⅶ、扇区判断

①直接通过角度判断扇区

sector = floor(angle_el / _PI_3) + 1;

②通过UαUβ计算扇区

空间矢量调制的第一步是判断由Uα和Uβ所决定的空间电压矢量所在的扇区。假定合成的电压矢量落在第一扇区，可知其等价条件：0<arctan(Uβ/ Uα) <60。

再定义，若U1>0，则A=1，否则A=0；若U2>0，则B=1，否则B=0；若U3>0，则C=1,否则C=0。

可以看出A、B、C之间共有八种组合，但由判断扇区的公式可知A、B、C不会同时为1或同时为0，所以实际的组合是六种，A、B、C组合取不同的值对应着不同的扇区，并且是一一对应的，因此完全可以由A、B、C的组合判断所在的扇区。为区别六种状态，令N=4*C+2*B+A，则可以通过下标计算参考电压矢量Uref所在的扇区。