摘要隨著對高性能、智能化電機(jī)控制系統(tǒng)的需求不斷提升，無刷直流電機(jī)（BLDC）因其高效率、低噪聲和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于伺服控制、機(jī)器人與精密設(shè)備等領(lǐng)域。本文圍繞基于磁編碼器反饋的無刷電機(jī)控制系統(tǒng)展開研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套支持矢量控制（FOC）與三閉環(huán)結(jié)構(gòu)（位置、速度、電流環(huán)）的高性能嵌入式控制平臺(tái)。首先，論文建立了無刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，明確了電角度、坐標(biāo)變換及PI調(diào)節(jié)等關(guān)鍵控制原理。隨后，基于STM32G4系列主控平臺(tái)，構(gòu)建了完整的軟硬件系統(tǒng)，包括編碼器角度采集、電流閉環(huán)采樣、PWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)、按鍵交互與OLED顯示模塊，實(shí)現(xiàn)了三閉環(huán)FOC算法的嵌入式部署。在控制算法設(shè)計(jì)中，提出了基于電角度吸附的偏移校準(zhǔn)機(jī)制與極對數(shù)自動(dòng)識(shí)別方法，提升了系統(tǒng)適應(yīng)性與移植性。在Simulink中構(gòu)建了完整的控制仿真模型，驗(yàn)證了系統(tǒng)在目標(biāo)角變化、擾動(dòng)干擾、環(huán)路對比等場景下的穩(wěn)定性與響應(yīng)特性。最終通過實(shí)物平臺(tái)進(jìn)行測試，記錄并分析了位置、速度、電流及PWM波形等關(guān)鍵指標(biāo)，實(shí)測結(jié)果與仿真高度一致，驗(yàn)證了控制策略的有效性與工程可行性。本文研究成果為資源受限平臺(tái)下的高精度電機(jī)控制提供了完整的參考設(shè)計(jì)，具有良好的教學(xué)與工程推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；磁編碼器；矢量控制；三閉環(huán)控制；STM32；電角度校準(zhǔn)

ABSTRACTBrushlessDCmotors(BLDC)arewidelyusedinrobotics,servodrives,andprecisionsystemsduetotheirhighefficiency,fastresponse,andlownoise.Thispaperpresentsthedesignandimplementationofahigh-performanceembeddedBLDCcontrolsystembasedonmagneticencoderfeedback.ThesystemadoptsField-OrientedControl(FOC)andathree-looparchitecture,includingposition,speed,andcurrentloops.AmathematicalmodelofthemotorisestablishedtosupportcoordinatetransformationsandPI-basedcontrol.ThehardwareplatformisbuiltontheSTM32G4microcontroller,integratingangleacquisition,currentsampling,PWMmodulation,andOLEDdisplay.Theembeddedsoftwareimplementsreal-timecontrolwithmodulardesignandefficientinterruptscheduling.Toensureaccuracy,thesystemincludesencoderoffsetcalibrationandautomaticpole-pairdetection.ASimulinkmodelisdevelopedforsimulationanalysisundervariousconditions,suchasstepchangesintargetangleandexternaldisturbances.Experimentalresultsonarealhardwareplatformconfirmthatthesystemachievesfastresponse,stableoperation,andstrongdisturbancerejection.Themeasureddatamatchthesimulationclosely,validatingtheproposedcontrolstrategy.Thisworkprovidesapracticalandlow-costsolutionforhigh-precisionBLDCcontrolonembeddedplatforms,offeringvalueforbothengineeringapplicationsandeducationaluse.Keywords:BrushlessDCMotor;MagneticEncoder;Field-OrientedControl;Three-LoopControl;STM32;ElectricalAngleCalibration目錄TOC\o"1-3"\h\u第1章緒論 第1章緒論1.1研究背景與意義隨著電力電子、嵌入式系統(tǒng)及控制理論的快速發(fā)展，電機(jī)控制系統(tǒng)正朝著高性能、高精度、智能化方向不斷演進(jìn)。在眾多電機(jī)類型中，無刷直流電機(jī)（BLDC）因結(jié)構(gòu)簡潔、效率高、響應(yīng)快、壽命長等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無人機(jī)、電動(dòng)工具與自動(dòng)化設(shè)備等領(lǐng)域，成為新一代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要選擇[1]。圖1.1無刷電機(jī)典型應(yīng)用場景示意圖與傳統(tǒng)有刷電機(jī)相比，BLDC省去了機(jī)械換向器與碳刷，依賴電子換相實(shí)現(xiàn)對磁場與電流的控制，從而提升了運(yùn)行可靠性與控制精度。在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)控制的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確獲取與電流的有效調(diào)制?；魻杺鞲衅麟m結(jié)構(gòu)簡單，但精度有限，尤其在低速場景下易出現(xiàn)死區(qū)與延遲。相比之下，磁編碼器具備高分辨率、低延遲、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，逐漸成為高性能控制系統(tǒng)的優(yōu)選方案。圖1.2無刷電機(jī)典型結(jié)構(gòu)剖面圖為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的電流調(diào)節(jié)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，矢量控制（FOC）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過將三相電流解耦為磁通與轉(zhuǎn)矩兩個(gè)分量，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)控制[2]。進(jìn)一步地，三閉環(huán)控制架構(gòu)在此基礎(chǔ)上疊加了速度環(huán)與位置環(huán)，從而提升系統(tǒng)整體的響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)精度與抗擾動(dòng)能力。本課題圍繞高性能無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建了一套基于磁編碼器反饋、支持三閉環(huán)FOC控制策略的嵌入式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32G4系列單片機(jī)為核心控制平臺(tái)，結(jié)合三相驅(qū)動(dòng)、電流采樣與角度測量模塊，配套完整的軟件控制算法，支持目標(biāo)角跟蹤、擾動(dòng)響應(yīng)等運(yùn)行模式，并通過MATLAB/Simulink建立仿真模型，驗(yàn)證控制性能與系統(tǒng)魯棒性。該研究在工程實(shí)踐中具備良好的推廣前景，也為資源受限平臺(tái)下的高精度伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考路徑。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，無刷電機(jī)控制技術(shù)在學(xué)術(shù)界與工業(yè)界均受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的六步換相控制由于結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)容易，在早期小型驅(qū)動(dòng)設(shè)備中廣泛使用。但該方法存在換相過程中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大、噪聲明顯、低速控制困難等缺陷，難以滿足高性能應(yīng)用需求。為了解決上述問題，越來越多研究開始采用磁場定向控制（FOC）技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)電流解耦與磁場方向控制。國外在該領(lǐng)域起步較早，德國、日本、美國等國家企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)在電機(jī)建模、數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高性能變頻器開發(fā)等方面已形成成熟體系。如德國Infineon、日本Mitsubishi、美國TexasInstruments等公司均推出支持FOC控制的專用電機(jī)控制芯片和開發(fā)平臺(tái)。近年來，基于磁編碼器的高速精確位置控制系統(tǒng)在歐美高端制造設(shè)備中也得到了廣泛應(yīng)用[3]。國內(nèi)高校與研究機(jī)構(gòu)近年來也在無刷電機(jī)高性能控制方面取得顯著進(jìn)展，尤其是在嵌入式平臺(tái)移植、低成本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)、開源FOC算法優(yōu)化等方向。部分高校嘗試將模型預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、滑?？刂频刃滦头椒ㄒ腚姍C(jī)系統(tǒng)控制中，取得一定成效。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，仍需考慮成本、復(fù)雜度與實(shí)時(shí)性之間的平衡問題。因此，結(jié)合磁編碼器進(jìn)行精確位置采樣、實(shí)現(xiàn)嵌入式三閉環(huán)控制的實(shí)用型控制系統(tǒng)，仍具有廣闊的研究與工程價(jià)值[4]。1.3課題研究內(nèi)容與技術(shù)路線本課題以AE2207無刷電機(jī)和MT6701磁編碼器為核心，構(gòu)建了一套完整的電機(jī)控制系統(tǒng)，并以NUCLEO-G474RE單片機(jī)為控制平臺(tái)，搭建起基于編碼器反饋的三閉環(huán)控制系統(tǒng)。整個(gè)項(xiàng)目包括以下幾個(gè)方面的研究與開發(fā)內(nèi)容：（1）研究無刷電機(jī)的工作機(jī)理與數(shù)學(xué)模型，掌握FOC控制原理與坐標(biāo)變換關(guān)系；（2）設(shè)計(jì)基于磁編碼器的電角度識(shí)別與偏差校準(zhǔn)方法；（3）搭建三相驅(qū)動(dòng)電路與電流采樣通道，完成電流環(huán)反饋閉環(huán)控制；（4）實(shí)現(xiàn)位置、速度、電流三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，編寫C語言控制算法并在STM32平臺(tái)上部署；（5）構(gòu)建Simulink控制模型，完成目標(biāo)跳變、擾動(dòng)響應(yīng)等仿真測試；（6）進(jìn)行實(shí)物測試與系統(tǒng)響應(yīng)分析，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。圖1.3本課題系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖1.4論文結(jié)構(gòu)安排本文共分為七章，具體安排如下：第1章為緒論，介紹研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、課題研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排；第2章介紹無刷電機(jī)原理、數(shù)學(xué)模型、控制策略及編碼器解算方法，為后續(xù)設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)；第3章對系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析，明確三閉環(huán)控制邏輯與算法實(shí)現(xiàn)流程；第4章介紹整個(gè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、器件選型、接口配置及平臺(tái)搭建過程；第5章基于MATLAB/Simulink完成控制系統(tǒng)仿真，并分析不同工況下的響應(yīng)性能與魯棒性；第6章展示實(shí)物測試過程與結(jié)果，對比分析系統(tǒng)的實(shí)際控制效果與仿真吻合度；第7章對全文進(jìn)行總結(jié)，指出不足并展望后續(xù)優(yōu)化方向。

第2章無刷直流電機(jī)原理與控制方法2.1無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理無刷直流電機(jī)（BrushlessDCMotor,BLDC）是一種依靠電子換相代替機(jī)械碳刷與換向器的電機(jī)類型。其典型結(jié)構(gòu)包括定子繞組、永磁轉(zhuǎn)子、位置檢測單元與驅(qū)動(dòng)電路。其中，定子通常采用三相對稱繞組，類似交流電機(jī)結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子則采用永磁體材料，具備高能量密度與低損耗特性[5]。圖2.1無刷電機(jī)三相繞組分布圖BLDC的基本運(yùn)行原理是：當(dāng)定子繞組按照特定的時(shí)序通電時(shí)，形成旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子磁極之間的相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。為了保證磁場方向與轉(zhuǎn)子位置同步，系統(tǒng)需實(shí)時(shí)換相。傳統(tǒng)做法借助霍爾傳感器或反電動(dòng)勢實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測，但其精度有限，不適用于高性能應(yīng)用?，F(xiàn)代BLDC控制中廣泛采用磁編碼器作為轉(zhuǎn)子角度檢測手段，能夠提供更高精度與更低延遲的位置信息，是實(shí)現(xiàn)矢量控制（FOC）的前提。FOC通過將三相電流在坐標(biāo)變換下解耦為d軸與q軸兩個(gè)分量，分別控制磁通與轉(zhuǎn)矩，從而獲得平穩(wěn)、高效的運(yùn)行特性。此外，BLDC可按結(jié)構(gòu)分為內(nèi)轉(zhuǎn)子型與外轉(zhuǎn)子型：前者慣量小、響應(yīng)快，適合高精度伺服系統(tǒng)；后者功率密度高，廣泛用于無人機(jī)、電動(dòng)模型等對輸出力矩要求較高的場合[6]。多數(shù)采用表貼式永磁結(jié)構(gòu)，其氣隙磁場分布近似正弦，為采用正弦波驅(qū)動(dòng)與FOC提供了條件基礎(chǔ)。綜上所述，BLDC的結(jié)構(gòu)簡化了傳統(tǒng)電機(jī)的磨損問題，而其運(yùn)行機(jī)理為后續(xù)坐標(biāo)變換、電角度控制與閉環(huán)調(diào)節(jié)提供了清晰的建模依據(jù)。掌握其基本結(jié)構(gòu)與原理，是構(gòu)建高性能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。2.2數(shù)學(xué)建模與電氣模型為了實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的高性能控制，需要對其運(yùn)行過程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以便構(gòu)建控制器的輸入輸出關(guān)系。由于BLDC電機(jī)的三相繞組對稱分布，其電氣建?？梢詮腶bc三相坐標(biāo)系出發(fā)，經(jīng)過坐標(biāo)變換得到更適合控制器使用的靜止兩相（αβ）和旋轉(zhuǎn)兩相（dq）坐標(biāo)系表達(dá)，從而完成電壓、電流、磁鏈與轉(zhuǎn)矩之間的精確建模與解耦控制。2.2.1abc三相模型在電機(jī)定子三相坐標(biāo)系abc中，假設(shè)定子電感對稱，忽略飽和與鐵耗影響，則三相繞組電壓方程可表示為[7]：uuu其中，ua、ub、uc為定子三相繞組電壓；ia、ib、ic為相電流；Ra、Rb、Rc為定子繞組電阻；ψa、ψb、ψc為相應(yīng)的磁鏈。若三相繞組電阻和電感對稱，即Ra=Rb=Rc=R，且忽略中性點(diǎn)，則可以簡化為：ui其中ei表示每相的反電動(dòng)勢（Back-EMF），其與轉(zhuǎn)子磁通密度、轉(zhuǎn)速及位置有關(guān)。由于abc三相模型具有強(qiáng)耦合性，不便于控制分析，因此需引入Clarke變換與Park變換將其解耦。2.2.2Clarke與Park變換Clarke變換是一種將三相電量（abc）轉(zhuǎn)換為靜止正交兩相（αβ）坐標(biāo)的過程，其本質(zhì)是將三相對稱系統(tǒng)投影到兩個(gè)正交軸上。變換公式如下[8]：ii進(jìn)一步地，Park變換用于將αβ坐標(biāo)系下的量變換到與轉(zhuǎn)子磁場同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系，以實(shí)現(xiàn)磁鏈定向控制。其變換過程為：ii其中θ為電角度，id表示與磁場方向相同的電流分量，iq為垂直于磁場方向的電流分量。在FOC控制中，通過令id=0實(shí)現(xiàn)無磁通變化，僅由iq調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩輸出，從而獲得更優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。同樣地，電壓和磁鏈也可通過上述變換得到ud、uq和ψd、ψq。圖2.2Clarke與Park變換示意圖2.2.3反變換與SVPWM原理為了將控制器輸出的dq坐標(biāo)系下的電壓指令再次轉(zhuǎn)換為可用于驅(qū)動(dòng)器的三相PWM信號，需要進(jìn)行Park逆變換和Clarke逆變換。其逆過程如下[9]：ii然后再通過Clarke逆變換：iii最終得到的三相參考電壓被輸入到SVPWM模塊中進(jìn)行調(diào)制。SVPWM（SpaceVectorPWM）是一種空間矢量調(diào)制技術(shù)，其基本思想是將三相電壓矢量在扇區(qū)中通過兩相分量加權(quán)實(shí)現(xiàn)等效合成，進(jìn)而用三相PWM波形表示。與傳統(tǒng)正弦波PWM相比，SVPWM具有更高的電壓利用率、更低的諧波含量和更優(yōu)的電機(jī)控制性能，是現(xiàn)代FOC系統(tǒng)的常用調(diào)制方式。圖2.3SVPWM六扇區(qū)電壓矢量圖通過上述建模與變換過程，原本耦合復(fù)雜的三相系統(tǒng)被轉(zhuǎn)換為解耦的兩相系統(tǒng)，并能在轉(zhuǎn)子磁場坐標(biāo)下實(shí)現(xiàn)電流的獨(dú)立調(diào)節(jié)，從而為高性能控制器設(shè)計(jì)提供理論支持。2.3控制策略對比與分析無刷直流電機(jī)的控制策略直接決定其運(yùn)行效率、響應(yīng)性能和適應(yīng)環(huán)境的能力。在工程實(shí)踐中，主要控制方案可分為傳統(tǒng)的六步換相控制與基于坐標(biāo)變換的矢量控制（FOC）。本節(jié)對這兩種方法進(jìn)行原理簡述和效果對比，明確本課題選擇FOC的技術(shù)優(yōu)勢。2.3.1六步換相控制策略六步換相是一種早期常用的控制方法，依賴霍爾傳感器或反電動(dòng)勢檢測轉(zhuǎn)子位置信號，并按照120°相位差切換通電狀態(tài)，形成旋轉(zhuǎn)磁場。每次通電僅激活兩個(gè)繞組，第三繞組懸空。該方法控制邏輯簡單、實(shí)現(xiàn)成本低，適合低速、低精度場景[10]。然而，該策略存在顯著缺陷：（1）電流波形為梯形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大；（2）換相過程中易產(chǎn)生噪聲與電磁干擾；（3）低速性能差，精度受限于位置檢測分辨率；（4）無法實(shí)現(xiàn)磁通與轉(zhuǎn)矩解耦，難以滿足高精度需求。2.3.2矢量控制（FOC）策略與優(yōu)勢磁場定向控制（FieldOrientedControl,FOC）基于對電機(jī)數(shù)學(xué)模型的解析，通過坐標(biāo)變換將三相電流轉(zhuǎn)換為與磁場方向?qū)R的d、q分量，分別用于磁通與轉(zhuǎn)矩控制。此方法本質(zhì)上將復(fù)雜的三相耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)獨(dú)立通道進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。FOC的主要優(yōu)勢包括：（1）轉(zhuǎn)矩輸出連續(xù)平穩(wěn)，幾乎無波動(dòng)；（2）可在零速及低速狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高精度控制；（3）具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能；（4）適合與磁編碼器配合，實(shí)現(xiàn)精確位置反饋與伺服控制。盡管FOC在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度與計(jì)算負(fù)載方面高于六步控制，但隨著高性能微控制器與高分辨率傳感器的普及，其已成為現(xiàn)代高性能BLDC控制系統(tǒng)的主流方案。2.3.3控制結(jié)構(gòu)選擇與應(yīng)用匹配考慮到本課題需在多目標(biāo)跟蹤、擾動(dòng)抑制和低速穩(wěn)定運(yùn)行等方面滿足高性能需求，采用基于磁編碼器的FOC控制策略是合理選擇。在具體實(shí)現(xiàn)中，控制結(jié)構(gòu)進(jìn)一步拓展為三閉環(huán)架構(gòu)（位置-速度-電流），用于提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度與抗干擾能力，相關(guān)細(xì)節(jié)將在第3章中詳細(xì)介紹。表2.1常見BLDC控制策略對比控制方式控制精度響應(yīng)速度轉(zhuǎn)矩波動(dòng)低速性能實(shí)現(xiàn)難度應(yīng)用場景六步換相低中明顯差低風(fēng)扇、電動(dòng)工具等低端場合FOC（矢量控制）高快極小優(yōu)高伺服系統(tǒng)、機(jī)器人、高性能設(shè)備2.4電角度解算與極對數(shù)校準(zhǔn)在磁場定向控制（FOC）中，電角度（ElectricalAngle）是核心控制變量之一，其準(zhǔn)確性直接決定了坐標(biāo)變換的正確性與控制系統(tǒng)的有效性。由于無刷直流電機(jī)采用永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其電角度與實(shí)際機(jī)械轉(zhuǎn)子角度存在極對數(shù)倍數(shù)的關(guān)系，因此需結(jié)合高精度位置傳感器進(jìn)行電角度解算，并在初始化階段完成偏差校準(zhǔn)與極對數(shù)設(shè)定。2.4.1磁編碼器讀取原理本課題選用MT6701磁編碼器作為位置信號源，該器件為高精度絕對值角度編碼器，可通過I2C、SPI或ABZ接口實(shí)時(shí)讀取轉(zhuǎn)子角度。MT6701內(nèi)部集成了霍爾感應(yīng)陣列，可檢測外部磁環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度并輸出12位甚至14位的數(shù)字角度值，角度分辨率高、響應(yīng)速度快，適合高性能位置控制應(yīng)用[11]。磁編碼器輸出的角度值表示的是轉(zhuǎn)子的機(jī)械角度θmech，單位為度或弧度，范圍一般為[0,360)。在控制系統(tǒng)中，主控單片機(jī)定時(shí)讀取編碼器角度并緩存當(dāng)前值，用于參與電角度計(jì)算與位置環(huán)反饋。相較于傳統(tǒng)霍爾元件，磁編碼器具備無接觸、低抖動(dòng)、高分辨率、低延遲等優(yōu)勢，特別適合需要精細(xì)換相、低速高穩(wěn)運(yùn)行的控制系統(tǒng)。2.4.2機(jī)械角-電角轉(zhuǎn)換關(guān)系電角度是電機(jī)定子電磁場的參考角度，用于完成Clarke與Park變換中的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)操作。其與機(jī)械角的關(guān)系為[12]：θ其中θelec為電角度，θmech為機(jī)械角度，P為電機(jī)的極對數(shù)。舉例而言，若電機(jī)具有7對磁極，則轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過1圈（360°機(jī)械角），其電角度將轉(zhuǎn)過7圈，即2520°，周期為360°。因此電角度實(shí)際是機(jī)械角度的非線性倍增，其值可能在系統(tǒng)運(yùn)行中不斷增加，不適合直接用于坐標(biāo)變換，通常需取模至[0,360)范圍內(nèi)。在工程實(shí)現(xiàn)中，為避免長時(shí)間運(yùn)行造成角度累計(jì)溢出或精度損失，通常采用：θ此外，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極方向與坐標(biāo)系角度對齊，還需在實(shí)際計(jì)算中引入偏置量進(jìn)行補(bǔ)償。2.4.3初始偏差識(shí)別與極對數(shù)設(shè)定由于電機(jī)初始安裝位置、電纜接線方向、編碼器零點(diǎn)等因素影響，電角度在系統(tǒng)上電時(shí)可能存在固定偏差，若不加以修正將導(dǎo)致FOC控制失效或效率下降。為此，在系統(tǒng)啟動(dòng)階段需執(zhí)行電角度偏差識(shí)別與極對數(shù)校準(zhǔn)流程。本課題采用“電角度強(qiáng)制對準(zhǔn)法”進(jìn)行校準(zhǔn)，即在上電后輸出固定電角度信號（如0°），使電機(jī)靜止吸附至某一穩(wěn)定位置，然后讀取此時(shí)的機(jī)械角度θmech?。根據(jù)該角度與已設(shè)定極對數(shù)P，即可反推當(dāng)前實(shí)際電角度：θ將該值作為初始偏移量θoffset記錄下來，在后續(xù)電角度計(jì)算中進(jìn)行修正：??θ通過上述過程，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電角度的精確對齊，確保坐標(biāo)變換方向與實(shí)際磁場方向一致。對于極對數(shù)P的設(shè)定，若使用的電機(jī)型號明確，可手動(dòng)配置P值；若存在差異或需通用化設(shè)計(jì)，也可通過反復(fù)旋轉(zhuǎn)整圈并統(tǒng)計(jì)電角度周期數(shù)的方式進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。本課題在實(shí)物系統(tǒng)中支持極對數(shù)自動(dòng)設(shè)定與偏差校準(zhǔn)，提高了系統(tǒng)移植性與用戶友好性。

第3章控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)3.1控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)高精度的無刷電機(jī)控制，本課題設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于FOC矢量控制策略與三閉環(huán)結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32G4系列主控芯片為核心，結(jié)合磁編碼器、電流采樣模塊和三相驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成完整的硬件閉環(huán)，通過軟件控制算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)角度跟蹤、速度調(diào)節(jié)和電流精確控制。本節(jié)將介紹控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)與各功能模塊的劃分，重點(diǎn)說明軟硬件之間的協(xié)同配合機(jī)制，為后續(xù)算法與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)打下基礎(chǔ)。3.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述系統(tǒng)整體架構(gòu)由主控單元、傳感器模塊、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模塊與人機(jī)交互單元組成。主控單元選用ST的NUCLEO-G474RE開發(fā)板，具備高性能浮點(diǎn)計(jì)算能力與豐富外設(shè)資源，能夠滿足高速電流采樣、PWM波形生成與控制算法實(shí)時(shí)執(zhí)行的需求。（1）傳感器模塊包括磁編碼器MT6701，用于獲取精確的轉(zhuǎn)子角度，以及電流采樣電路，采集三相繞組的瞬時(shí)電流，用作電流環(huán)反饋；（2）驅(qū)動(dòng)模塊采用EG2103三相驅(qū)動(dòng)板，通過主控生成的三路PWM信號實(shí)現(xiàn)對BLDC的控制；（3）人機(jī)交互部分包括OLED顯示與按鍵輸入，用于展示控制狀態(tài)和調(diào)節(jié)目標(biāo)角度等參數(shù)。主控通過周期性中斷機(jī)制，完成數(shù)據(jù)采集、坐標(biāo)變換、PI控制、PWM更新等控制任務(wù)，確保系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)性與響應(yīng)性。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。3.1.2軟件模塊劃分為了提升系統(tǒng)的可維護(hù)性與可移植性，軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)。各功能模塊劃分如下：（1）編碼器讀取模塊：定時(shí)獲取轉(zhuǎn)子角度，參與電角度計(jì)算與位置環(huán)反饋；（2）電流采樣模塊：采集三相電流，作為電流環(huán)輸入；（3）控制算法模塊：實(shí)現(xiàn)三閉環(huán)結(jié)構(gòu)中的PI控制邏輯，輸出調(diào)制電壓；（4）坐標(biāo)變換模塊：負(fù)責(zé)電流與電壓在abc、αβ、dq坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換；（5）PWM輸出模塊：生成三相對稱PWM波形，通過TIM1控制功率驅(qū)動(dòng)；（6）交互顯示模塊：通過OLED顯示控制狀態(tài)，響應(yīng)用戶按鍵設(shè)置；（7）中斷調(diào)度模塊：配置定時(shí)中斷與DMA采樣觸發(fā)，確保關(guān)鍵任務(wù)及時(shí)執(zhí)行。上述模塊通過共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與定時(shí)調(diào)度協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)控制流程?？刂迫蝿?wù)以中斷為主，主循環(huán)則處理低頻事務(wù)與用戶操作，形成“中斷主導(dǎo)、主循環(huán)輔助”的系統(tǒng)調(diào)度策略。本節(jié)所述架構(gòu)以實(shí)際工程可行性為目標(biāo)，結(jié)合性能與開發(fā)效率，搭建了一個(gè)功能完整、響應(yīng)快速、結(jié)構(gòu)清晰的控制系統(tǒng)平臺(tái)。下一節(jié)將詳細(xì)闡述該控制系統(tǒng)的軟件執(zhí)行流程與中斷控制機(jī)制。3.2軟件流程設(shè)計(jì)3.2.1主循環(huán)與中斷邏輯在電機(jī)控制系統(tǒng)中，程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和邏輯結(jié)構(gòu)對控制性能起著決定性作用。為確保系統(tǒng)能夠在高速旋轉(zhuǎn)、電流變化等動(dòng)態(tài)條件下穩(wěn)定運(yùn)行，本課題采用“中斷主導(dǎo)、主循環(huán)調(diào)度”模式，將時(shí)間敏感型任務(wù)交由中斷處理，低優(yōu)先級任務(wù)由主循環(huán)完成，以實(shí)現(xiàn)控制精度與資源利用的平衡。具體而言，系統(tǒng)運(yùn)行后進(jìn)入主循環(huán)框架，持續(xù)輪詢用戶輸入、OLED顯示更新、非關(guān)鍵變量管理等低頻功能。而與電機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)性緊密相關(guān)的電流采樣、編碼器讀取、坐標(biāo)變換、PI調(diào)節(jié)與PWM更新等核心控制任務(wù)，則由定時(shí)中斷周期性觸發(fā)執(zhí)行。系統(tǒng)主要使用以下幾類中斷源：（1）定時(shí)器中斷（TIM1Update）：用于觸發(fā)FOC主控制流程。其周期通常設(shè)置為10kHz~20kHz，在該中斷中完成以下操作：讀取編碼器角度，計(jì)算機(jī)械角與電角度；采集三相電流并進(jìn)行Clarke、Park變換；執(zhí)行PI控制算法，生成dq軸電壓指令；反變換后更新三相PWM占空比，完成SVPWM輸出。（2）ADC采樣中斷或DMA回調(diào)：用于電流采樣完成后自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一階段處理，確保采樣值及時(shí)參與控制計(jì)算。（3）按鍵中斷或輪詢處理：用于檢測用戶設(shè)定目標(biāo)角度、啟停命令、方向切換等操作指令，并更新相關(guān)變量。（4）系統(tǒng)時(shí)基中斷（SysTick）：用于OLED屏定時(shí)刷新、狀態(tài)變量超時(shí)檢測、動(dòng)畫幀控制等輔助任務(wù)。主循環(huán)部分結(jié)構(gòu)簡潔，主要包含以下功能：檢查按鍵狀態(tài)，解析用戶輸入；控制電機(jī)啟停邏輯切換；實(shí)時(shí)刷新OLED顯示內(nèi)容；執(zhí)行狀態(tài)記錄與限幅保護(hù)；控制目標(biāo)角度變更、方向翻轉(zhuǎn)等動(dòng)態(tài)設(shè)定。主循環(huán)執(zhí)行頻率通常為幾百Hz，遠(yuǎn)低于控制中斷頻率，從而避免占用處理器過多時(shí)間。通過上述中斷與主循環(huán)配合的方式，系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)高頻率、高精度的FOC控制，也能保持良好的人機(jī)交互響應(yīng)和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。3.2.2位置/速度/電流控制流程圖本系統(tǒng)采用三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，即位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)級聯(lián)控制，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)位置的高精度跟蹤。每一層閉環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)反饋控制，形成“外層給定、內(nèi)層跟蹤”的控制邏輯。三閉環(huán)控制流程如下：（1）最外層為位置環(huán)：以用戶設(shè)定的目標(biāo)角度為輸入，減去當(dāng)前位置（由磁編碼器實(shí)時(shí)讀取），得到位置誤差。該誤差通過位置PI控制器計(jì)算出目標(biāo)速度值，作為速度環(huán)的參考輸入。（2）中間層為速度環(huán)：以目標(biāo)速度與實(shí)時(shí)估算的實(shí)際速度之間的差值為輸入，經(jīng)過速度PI控制器調(diào)節(jié)，輸出目標(biāo)q軸電流iqref，作為電流環(huán)的參考。（3）最內(nèi)層為電流環(huán)：以采樣獲得的實(shí)際三相電流經(jīng)Clarke與Park變換后的dq軸分量id、iq與參考值進(jìn)行比較，分別使用兩個(gè)PI控制器計(jì)算出ud與uq，作為逆變換的輸入，最終生成三相PWM輸出。每一個(gè)環(huán)節(jié)均引入了濾波、限幅與死區(qū)處理，以提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力與穩(wěn)定性。整個(gè)流程自外向內(nèi)逐級傳遞控制目標(biāo)，自內(nèi)向外逐級閉環(huán)校正，有效抑制擾動(dòng)影響，提高響應(yīng)速度。圖3.2三閉環(huán)FOC控制流程圖為了估算實(shí)際速度，系統(tǒng)采用角度差分法。即每次中斷中讀取當(dāng)前角度，與上一次角度相減后除以中斷周期，得到角速度。該速度值用于速度環(huán)反饋。ω其中θcurrent為當(dāng)前采樣的機(jī)械角度，θlast為上一次保存的角度，Ts為控制周期。整個(gè)控制流程在定時(shí)器中斷中以固定周期執(zhí)行，確保數(shù)據(jù)一致性與實(shí)時(shí)性。在控制效果上，三閉環(huán)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)平滑加速、快速響應(yīng)、抗擾動(dòng)強(qiáng)的目標(biāo)角度跟蹤能力。3.2.3PWM調(diào)制與輸出實(shí)現(xiàn)在完成dq軸電壓指令的計(jì)算后，控制系統(tǒng)需將該信息轉(zhuǎn)化為具體的三相驅(qū)動(dòng)信號，作用于三路功率管，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本系統(tǒng)采用基于空間矢量思想的正弦波PWM（SVPWM）調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)三相PWM波形輸出。與傳統(tǒng)梯形波調(diào)制或六步換相方式相比，SVPWM具有更高的電壓利用率、更低的諧波含量以及更平滑的轉(zhuǎn)矩輸出。在SVPWM調(diào)制之前，系統(tǒng)先通過逆Park變換與逆Clarke變換將dq軸電壓指令（ud,uq）轉(zhuǎn)換為三相靜止坐標(biāo)下的參考電壓（ua,ub,uc）。變換過程如下：uuuuu將得到的三相電壓映射到PWM占空比范圍內(nèi)（通常為0~1），即完成占空比生成。系統(tǒng)使用定時(shí)器TIM1的三個(gè)輸出通道，分別控制A、B、C三相PWM信號，配合外部驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)三相繞組的精確驅(qū)動(dòng)。為簡化計(jì)算，本系統(tǒng)并未使用完整的SVPWM六扇區(qū)算法，而是將三相正弦波幅值直接映射為占空比值，在三相對稱正弦基礎(chǔ)上乘以當(dāng)前調(diào)制幅度，并加上0.5偏置，以適配定時(shí)器中心對稱PWM輸出方式。具體公式為：dutydutyduty其中，A(amplitude)為調(diào)制幅度，根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)（靜止或轉(zhuǎn)動(dòng)）設(shè)定；θelec為當(dāng)前電角度。最終將duty值乘以PWM周期值并寫入定時(shí)器通道比較寄存器，實(shí)現(xiàn)高頻PWM輸出。系統(tǒng)PWM頻率設(shè)定為20kHz，兼顧電流響應(yīng)速度與驅(qū)動(dòng)器開關(guān)損耗。在輸出過程中，為保證輸出信號一致性，系統(tǒng)在更新三相PWM時(shí)開啟定時(shí)器互補(bǔ)更新鎖存機(jī)制，避免中斷過程中輸出數(shù)據(jù)失配。同時(shí)，為防止占空比過大導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通重疊，系統(tǒng)設(shè)定了上下限閾值，將占空比限制在一定范圍內(nèi)（如5%~95%），提高系統(tǒng)可靠性。3.3核心算法與參數(shù)設(shè)定在本系統(tǒng)中，位置、速度、電流三個(gè)控制環(huán)節(jié)均采用比例-積分（PI）控制器進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)與反饋修正。為保證系統(tǒng)響應(yīng)速度與穩(wěn)定性，PI參數(shù)需根據(jù)電機(jī)參數(shù)與控制周期合理設(shè)置。同時(shí)，編碼器解算與極對數(shù)識(shí)別算法在初始階段的精度也對整體控制效果有直接影響，需進(jìn)行有效初始化與實(shí)時(shí)修正。3.3.1PI參數(shù)設(shè)置PI控制器是一種常見的線性調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為[13]：u(t)=其中，e(t)為控制誤差，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)。在數(shù)字實(shí)現(xiàn)中，控制器通常采用增量式或位置式離散形式，每個(gè)控制周期計(jì)算一次調(diào)節(jié)值。本系統(tǒng)的PI控制器設(shè)置如下：（1）位置環(huán)PI控制器：根據(jù)目標(biāo)角度與當(dāng)前位置的差值計(jì)算目標(biāo)速度，Kp值較小，防止角度微小變化引起速度突變，Ki值可設(shè)為較低或零，用于慢速調(diào)節(jié)。（2）速度環(huán)PI控制器：控制目標(biāo)速度與估算速度之間的差值輸出iq參考電流，是調(diào)節(jié)靈敏度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，Kp值中等偏大，Ki值適中以消除穩(wěn)態(tài)誤差。（3）電流環(huán)PI控制器：對dq軸電流進(jìn)行直接控制，要求響應(yīng)快、帶寬高，Kp值偏大，Ki值設(shè)定需平衡響應(yīng)速度與超調(diào)程度。為了防止積分飽和，本系統(tǒng)引入了積分限幅機(jī)制與輸出限幅機(jī)制，避免PI輸出超出PWM范圍導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定?？刂茀?shù)可根據(jù)實(shí)際電機(jī)參數(shù)、控制周期以及所需響應(yīng)特性進(jìn)行調(diào)試，系統(tǒng)中留有調(diào)節(jié)接口支持手動(dòng)微調(diào)。3.3.2極對數(shù)識(shí)別邏輯極對數(shù)P是將機(jī)械角度θmech轉(zhuǎn)換為電角度θelec所必需的關(guān)鍵參數(shù)。在一些已知電機(jī)型號中，P可通過規(guī)格書直接設(shè)定；但在部分電機(jī)或不同接線方式下，極對數(shù)難以準(zhǔn)確確認(rèn)，或存在極性反接的問題，需進(jìn)行識(shí)別與修正。本系統(tǒng)提供兩種極對數(shù)設(shè)定方式：（1）手動(dòng)配置：用戶在程序中預(yù)設(shè)極對數(shù)P值，適用于固定電機(jī)型號的系統(tǒng)部署；（2）自動(dòng)識(shí)別：在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)讀取機(jī)械角變化量并檢測電角度周期數(shù)，根據(jù)完整旋轉(zhuǎn)圈數(shù)反推出P值。具體方法為：在無負(fù)載狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)一圈，同時(shí)記錄機(jī)械角變化和電角度變化次數(shù)，最終計(jì)算：P=此方法適用于具備連續(xù)旋轉(zhuǎn)能力和精確角度采樣能力的系統(tǒng)，有助于提升通用性與初始化便捷性。3.3.3編碼器零點(diǎn)偏差校準(zhǔn)算法磁編碼器由于安裝誤差、PCB偏移或磁環(huán)中心不一致，可能導(dǎo)致輸出的零點(diǎn)位置與實(shí)際轉(zhuǎn)子磁極方向不一致，進(jìn)而影響電角度的換算精度。為此，系統(tǒng)在啟動(dòng)階段進(jìn)行零點(diǎn)偏差校準(zhǔn)。校準(zhǔn)流程如下：（1）在上電初始化時(shí)，強(qiáng)制輸出固定電角度（如0°）到PWM，使電機(jī)轉(zhuǎn)子吸附至特定磁場方向，此時(shí)位置可視為電角對準(zhǔn)狀態(tài)；（2）讀取此時(shí)的機(jī)械角度θmech_zero，計(jì)算出偏差角度：θ將該偏差值存入系統(tǒng)變量中，后續(xù)每次計(jì)算電角度時(shí)均減去該偏差值：θ該過程僅需在初始化階段執(zhí)行一次，校準(zhǔn)結(jié)果在系統(tǒng)運(yùn)行期間持續(xù)有效。在系統(tǒng)重新上電或編碼器重新安裝后，需重新執(zhí)行一次零點(diǎn)校準(zhǔn)流程。為避免磁編碼器值抖動(dòng)或失準(zhǔn)影響校準(zhǔn)結(jié)果，校準(zhǔn)期間系統(tǒng)會(huì)延遲一定時(shí)間（如500ms~1s），確保轉(zhuǎn)子吸附穩(wěn)定后再讀取角度。

第4章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建4.1主控器與執(zhí)行單元選型電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)高性能控制策略的基礎(chǔ)，其選擇需兼顧處理性能、外設(shè)資源、開發(fā)便利性與可靠性。為實(shí)現(xiàn)位置、速度、電流三閉環(huán)控制策略，本課題選用功能強(qiáng)大、資源豐富的STM32G4系列主控芯片，同時(shí)匹配一顆高KV值無刷直流電機(jī)AE2207和一塊三相驅(qū)動(dòng)器EG2103，構(gòu)建完整的執(zhí)行通道。以下對核心單元的選型及其功能進(jìn)行說明。4.1.1NUCLEO-G474RE主控與資源分析本項(xiàng)目使用的主控平臺(tái)為ST公司推出的NUCLEO-G474RE開發(fā)板，該板搭載STM32G474RETx系列主控芯片，具有如下特點(diǎn)[14]：（1）主頻高：主頻達(dá)170MHz，內(nèi)核為ARMCortex-M4，具備DSP指令集與浮點(diǎn)運(yùn)算單元，可滿足FOC控制中大量實(shí)時(shí)計(jì)算需求；（2）PWM資源豐富：TIM1為高級定時(shí)器，支持三相互補(bǔ)PWM輸出、死區(qū)時(shí)間控制、并帶有PWM同步更新機(jī)制，適合電機(jī)控制應(yīng)用；（3）ADC采樣速度快：具有3路獨(dú)立ADC模塊，每路支持多通道并行采樣，滿足三相電流的快速采樣要求；（4）通信接口齊全：板載I2C、SPI、USART等多種接口，可實(shí)現(xiàn)與編碼器、OLED顯示、上位機(jī)等設(shè)備的互聯(lián)互通；（5）開發(fā)環(huán)境成熟：支持STM32CubeMX、Keil、IAR等開發(fā)工具，配套HAL庫便于快速搭建電機(jī)控制工程。此外，NUCLEO板具備ST-LINK調(diào)試器，可直接通過USB連接下載與調(diào)試程序，降低了開發(fā)門檻與系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜度。4.1.2AE2207無刷電機(jī)參數(shù)與連接AE2207是一款常見的航模無刷直流電機(jī)，具備高轉(zhuǎn)速、大功率密度的特性，適合本課題中對快速響應(yīng)與負(fù)載擾動(dòng)能力的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。其關(guān)鍵參數(shù)如下：型號：AE2207V2KV值：1960KV（表示無負(fù)載每伏產(chǎn)生1960rpm）極對數(shù)：7對（14極）電機(jī)尺寸：直徑27.9mm，高13.5mm工作電壓范圍：7.4V~14.8V額定電流：小于30A安裝孔距標(biāo)準(zhǔn)，配合磁環(huán)與編碼器易于搭建。AE2207為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對較大，轉(zhuǎn)矩變化更平穩(wěn)。在接線方式上，電機(jī)的U/V/W三相線分別接入驅(qū)動(dòng)器輸出端口，由主控生成PWM信號間接控制電流輸出方向與幅度。電機(jī)軸上安裝磁環(huán)，與編碼器相對固定，用于獲取高精度角度反饋。4.1.3EG2103驅(qū)動(dòng)板說明EG2103是集成式三相無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，內(nèi)部采用MOSFET全橋結(jié)構(gòu)，可直接驅(qū)動(dòng)外部無刷電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)板具備以下特性：（1）三通道驅(qū)動(dòng)輸入（PWM_A、PWM_B、PWM_C），直接與主控定時(shí)器PWM通道對應(yīng)；（2）支持高頻PWM驅(qū)動(dòng)，適配SVPWM調(diào)制頻率（20kHz左右）；（3）集成三路電流采樣輸出（ISA/ISB/ISC），通過低阻分流電阻檢測U/V/W相電流，輸出模擬電壓信號供主控采樣；（4）板載邏輯供電與功率供電分離，具備基本保護(hù)電路，適合教學(xué)與研究使用；（5）接口標(biāo)準(zhǔn)化，便于與NUCLEO主控連接，連接方式為3根PWM控制線、3根電流采樣線、3根電機(jī)相線、VCC/GND供電線。通過EG2103驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)可根據(jù)主控輸出的PWM占空比控制電流方向和幅度，實(shí)現(xiàn)FOC控制算法與電機(jī)物理驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)連接。4.2編碼器與電流采樣電路設(shè)計(jì)高性能的無刷電機(jī)控制系統(tǒng)需要對轉(zhuǎn)子位置與三相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)、高精度的反饋采樣。為此，系統(tǒng)分別采用磁編碼器MT6701用于角度檢測，利用EG2103驅(qū)動(dòng)板內(nèi)置的電流檢測電路輸出三相采樣信號，主控通過ADC進(jìn)行同步采集。本節(jié)將詳細(xì)介紹兩部分采樣電路的設(shè)計(jì)與接線配置。4.2.1MT6701磁編碼器通信方式與接線MT6701是一款高精度非接觸式旋轉(zhuǎn)磁編碼器，支持SPI、I2C、ABZ脈沖輸出和模擬輸出多種接口方式。其內(nèi)置霍爾陣列可感應(yīng)磁場方向并實(shí)時(shí)輸出絕對角度，分辨率最高可達(dá)14位，適用于高速、高分辨率的位置檢測[15]。本課題采用I2C通信模式連接MT6701磁編碼器，主控STM32G474RE通過I2C1接口周期性讀取角度值。編碼器輸出角度為數(shù)字格式，分辨率為14位，測量范圍為[0,360°)，主控中斷周期內(nèi)更新該值參與電角度計(jì)算。相比模擬采樣方式，I2C模式可減少噪聲干擾并提高讀取精度。MT6701模塊接線方式如下：（1）VCC：連接3.3V（2）GND：接地（3）SDA/SCL：接主控I2C1的PB9/PB8引腳該模塊體積小巧，響應(yīng)快速，安裝時(shí)需注意磁環(huán)與芯片中心對準(zhǔn)，以保證角度精度。在系統(tǒng)初始化階段，主控通過讀取該值用于電角度計(jì)算與零點(diǎn)偏差校準(zhǔn)。4.2.2三路電流采樣通道設(shè)計(jì)系統(tǒng)電流采樣基于EG2103驅(qū)動(dòng)板提供的三路模擬電壓輸出：ISA、ISB、ISC，分別代表U、V、W三相的電流采樣信號。驅(qū)動(dòng)板內(nèi)部通過電流檢測電阻（一般為低阻值0.01Ω~0.05Ω）轉(zhuǎn)換出對應(yīng)的電流電壓值，主控只需采集模擬信號并換算即可。電流采樣采用STM32片上ADC模塊采集，每相對應(yīng)一個(gè)ADC輸入通道，建議配置如下：（1）ISA→PA0（ADC_IN5）（2）ISB→PA1（ADC_IN6）（3）ISC→PA4（ADC_IN9）三個(gè)通道通過多通道掃描方式在控制周期內(nèi)同時(shí)完成采樣，結(jié)合DMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，確保采樣值的時(shí)效性與一致性。電流采樣頻率與PWM頻率同步，為20kHz。電流換算公式為[16]：I其中，Vsample為ADC采樣值轉(zhuǎn)換后的電壓，Vref為零電流時(shí)輸出基準(zhǔn)電壓（一般為中間電壓2.5V），Rsense為電阻值，Gain為運(yùn)放增益。為簡化處理，系統(tǒng)可近似認(rèn)為電流采樣為線性映射，并在電流環(huán)中使用單位化歸一值作為PI控制輸入。為避免噪聲影響，電流采樣線上增加濾波電容，并使用外部接地屏蔽，同時(shí)通過多次采樣平均或中位值濾波提高精度。在ADC配置中啟用硬件觸發(fā)（如由定時(shí)器更新事件觸發(fā)）可進(jìn)一步提高采樣同步性。4.3接口分配與系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中各模塊的高效協(xié)同與穩(wěn)定運(yùn)行，必須合理規(guī)劃主控芯片的GPIO、通信、PWM和ADC資源。結(jié)合STM32G474RE的片上外設(shè)配置與本課題的具體控制需求，本節(jié)將詳細(xì)說明各接口的具體分配方式以及系統(tǒng)集成方案，確保軟硬件聯(lián)調(diào)順暢、運(yùn)行穩(wěn)定。4.3.1I2C/PWM/ADC接口配置（1）ADC通道配置：系統(tǒng)使用ADC1模塊的三個(gè)通道采集電流信息和編碼器模擬輸出，配置如下：PA0（ADC_IN5）：接收ISA，相當(dāng)于U相電流PA1（ADC_IN6）：接收ISB，相當(dāng)于V相電流PA4（ADC_IN9）：接收ISC或編碼器模擬角度輸出這些通道可通過DMA方式配合定時(shí)器觸發(fā)實(shí)現(xiàn)高頻高精度的連續(xù)采樣。（2）PWM輸出配置：使用TIM1高級定時(shí)器提供三通道中心對稱PWM波形，控制三相無刷電機(jī)：CH1（PA8）：對應(yīng)PWM_ACH2（PA9）：對應(yīng)PWM_BCH3（PA10）：對應(yīng)PWM_C定時(shí)器設(shè)置為20kHz頻率，啟用互補(bǔ)輸出與死區(qū)時(shí)間功能，提高驅(qū)動(dòng)可靠性。（3）通信接口配置：OLED顯示模塊使用SSD1306顯示驅(qū)動(dòng)庫，主要用于實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)角度、當(dāng)前位置、電角度偏移等控制狀態(tài)信息，便于用戶交互與調(diào)試，接口采用I2C通信方式，連接至主控的I2C4接口，對應(yīng)引腳為：SDA：PC7SCL：PC6磁編碼器MT6701同樣采用I2C數(shù)字通信方式連接，主控通過I2C1接口讀取角度數(shù)據(jù)，接口引腳為：SCL：PB8SDA：PB9編碼器每輪輸出14位角度信息，測量范圍為0~360°，精度高、響應(yīng)快，適用于FOC控制中電角度解算。相較于模擬輸出方式，I2C通信模式能有效避免噪聲干擾，提升系統(tǒng)測量穩(wěn)定性。除I2C外，為滿足未來擴(kuò)展調(diào)試需求，系統(tǒng)預(yù)留了其他通信接口：（1）SPI編碼器或傳感器接口：可使用PA5（SCK）、PA6（MISO）、PA7（MOSI）、PB6（CS）；（2）上位機(jī)串口調(diào)試接口：保留USART2，接PA2（TX）/PA3（RX）或USB虛擬串口通道；當(dāng)前系統(tǒng)默認(rèn)采用MT6701的I2C輸出方式和OLED的I2C4通道，其他通信接口作為調(diào)試和擴(kuò)展用途保留。4.3.2按鍵功能設(shè)置與硬件映射系統(tǒng)設(shè)置五個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)用戶對控制流程的交互干預(yù)和運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，具體功能如下：（1）目標(biāo)角度+（PB14）：每次按下目標(biāo)角度增加一定幅度；（2）目標(biāo)角度?（PB13）：每次按下目標(biāo)角度減少一定幅度；（3）清零按鍵（PB15）：將當(dāng)前位置或電角度偏移值復(fù)位；（4）啟動(dòng)/停止（PB1）：控制電機(jī)是否運(yùn)行；（5）方向切換（PB2）：控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；所有按鍵采用上拉輸入方式連接至GPIO，狀態(tài)通過主循環(huán)輪詢讀取。按鍵檢測邏輯中加入軟件消抖機(jī)制，確保避免因電平抖動(dòng)造成誤觸發(fā)。按鍵狀態(tài)與控制結(jié)果均在OLED顯示屏中實(shí)時(shí)反饋，提升系統(tǒng)的交互友好性與操作直觀性。在系統(tǒng)布線過程中，接口設(shè)計(jì)充分考慮了抗干擾性和信號完整性要求。PWM控制線、模擬采樣信號線與I2C通信線分開布線，所有模塊共地處理，并通過排線連接規(guī)避交叉干擾，保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

第5章控制系統(tǒng)仿真與性能分析5.1仿真平臺(tái)與建模概述在控制系統(tǒng)實(shí)際部署前，進(jìn)行充分的仿真建模是評估控制策略可行性、分析系統(tǒng)響應(yīng)特性和優(yōu)化控制參數(shù)的重要手段。為驗(yàn)證本文提出的基于磁編碼器的無刷直流電機(jī)三閉環(huán)控制系統(tǒng)的有效性與穩(wěn)定性，構(gòu)建了完整的Simulink仿真模型，并在不同目標(biāo)角度、擾動(dòng)條件、控制策略下進(jìn)行了多組對比測試。本仿真平臺(tái)基于MATLAB/Simulink環(huán)境，結(jié)合Simscape電機(jī)模塊、控制邏輯模塊和信號源，搭建了包含電機(jī)、電流采樣、PI控制器、坐標(biāo)變換、PWM驅(qū)動(dòng)器等在內(nèi)的完整控制環(huán)路。仿真模型結(jié)構(gòu)與實(shí)物系統(tǒng)高度一致，確保測試數(shù)據(jù)可用于實(shí)物對照分析。所采用的電機(jī)模型為表貼式永磁無刷電機(jī)，按照AE2207實(shí)際參數(shù)設(shè)定，包括以下關(guān)鍵信息：（1）極對數(shù)：7對（2）定子相電阻、電感：根據(jù)樣本估算值設(shè)定（3）反電動(dòng)勢波形：正弦型或梯形可選，默認(rèn)正弦型以匹配FOC控制特性（4）編碼器分辨率：設(shè)定為12位模擬角度信號（5）電源電壓：設(shè)定為12V穩(wěn)定直流源（6）負(fù)載模型：默認(rèn)帶慣量負(fù)載，并支持?jǐn)_動(dòng)注入仿真系統(tǒng)中，控制周期設(shè)置為50μs，對應(yīng)20kHz采樣頻率，與實(shí)物系統(tǒng)一致。所有PI控制器參數(shù)均根據(jù)實(shí)物設(shè)置匹配設(shè)定，保證仿真結(jié)果可用于分析控制性能趨勢與動(dòng)態(tài)過程響應(yīng)。仿真系統(tǒng)如圖5.1，包括以下主要模塊：（1）目標(biāo)角生成模塊：設(shè)置固定目標(biāo)角、跳變角或周期函數(shù)；（2）編碼器角度模塊：模擬磁編碼器輸出角度，用于位置反饋；（3）速度估算模塊：使用角度微分方式模擬實(shí)際速度估算；（4）三閉環(huán)控制器：包括位置PI、速度PI、電流PI三層級聯(lián)控制；（5）dq變換模塊：完成Clarke與Park變換及其逆變換；（6）SVPWM模塊：模擬PWM調(diào)制并作用于電機(jī)模型；（7）電流采樣模塊：提取ABC三相電流，用于反饋；（8）負(fù)載模塊：可設(shè)置負(fù)載突變時(shí)間點(diǎn)與擾動(dòng)大小。圖5.1完整仿真系統(tǒng)圖仿真過程中，記錄了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、速度、三相電流、電角度等關(guān)鍵變量，并以圖形形式輸出用于對比分析。不同控制場景下的響應(yīng)特性對照表與圖形展示，有助于驗(yàn)證控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)精度與抗擾性能。5.2多目標(biāo)角響應(yīng)仿真為驗(yàn)證控制系統(tǒng)在不同目標(biāo)角度輸入下的響應(yīng)能力與穩(wěn)態(tài)控制性能，本節(jié)設(shè)定三組典型目標(biāo)角度輸入，分別為1rad、2rad與3rad，并在恒定負(fù)載條件下進(jìn)行仿真測試。每組實(shí)驗(yàn)均記錄電機(jī)的位置響應(yīng)曲線、速度變化曲線與三相電流波形，用于分析系統(tǒng)的跟蹤能力與輸出調(diào)節(jié)過程。此外，為進(jìn)一步評估系統(tǒng)在突變目標(biāo)指令下的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，設(shè)計(jì)階躍跳變仿真，設(shè)置在仿真運(yùn)行1秒時(shí)將目標(biāo)角從2rad跳變?yōu)?rad，觀察系統(tǒng)響應(yīng)過程的穩(wěn)定性與收斂速度。5.2.1目標(biāo)角仿真結(jié)果仿真中目標(biāo)角設(shè)定為1rad、2rad與3rad三組場景，初始位置為0，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定角度自動(dòng)調(diào)整輸出，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的閉環(huán)跟蹤。系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，響應(yīng)過程平穩(wěn)，具體分析如下：位置響應(yīng)方面，如圖5.2所示，目標(biāo)角設(shè)為1rad時(shí)，電機(jī)位置在短時(shí)間內(nèi)快速上升，約1秒內(nèi)穩(wěn)定至目標(biāo)值，過程中無明顯超調(diào)或振蕩，說明位置環(huán)調(diào)節(jié)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好；圖5.2目標(biāo)角度為1rad時(shí)位置變化曲線速度響應(yīng)方面，對應(yīng)的速度曲線見圖5.3，系統(tǒng)在初始階段加速明顯，接近目標(biāo)角度時(shí)速度自動(dòng)減小，呈現(xiàn)出理想的“先加速后減速”變化趨勢，避免了快速跟蹤過程中的超調(diào)和抖動(dòng)；圖5.3目標(biāo)角度為1rad時(shí)速度變化曲線電流響應(yīng)方面，圖5.4展示了三相電流的調(diào)節(jié)過程，可見電流波形呈周期性正弦形態(tài)，幅值隨目標(biāo)角度變化略有上升，輸出平穩(wěn)且無尖峰脈沖，說明電流環(huán)響應(yīng)迅速，能有效適應(yīng)不同位置設(shè)定下的驅(qū)動(dòng)需求。圖5.4目標(biāo)角度為1rad時(shí)三相電流變化曲線總體來看，三組目標(biāo)角輸入下系統(tǒng)均能快速穩(wěn)定跟蹤，三閉環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了從位置目標(biāo)到電流調(diào)節(jié)的連續(xù)閉環(huán)控制，體現(xiàn)出良好的協(xié)調(diào)性與動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力。。5.2.2目標(biāo)角跳變仿真為測試系統(tǒng)在突變輸入下的響應(yīng)能力與穩(wěn)定性，設(shè)置在仿真運(yùn)行1秒時(shí)將目標(biāo)角從2rad跳變至1rad，模擬典型的路徑切換場景。仿真結(jié)果表明：位置響應(yīng)方面，如圖5.5所示，跳變發(fā)生后電機(jī)位置快速向新目標(biāo)調(diào)整，過渡過程平滑，約0.4秒內(nèi)穩(wěn)定在1rad附近，無明顯超調(diào)或遲滯，系統(tǒng)具備良好的跳變調(diào)節(jié)能力；圖5.5目標(biāo)角度跳變位置變化曲線速度響應(yīng)方面，圖5.6所示速度曲線在跳變瞬間出現(xiàn)反向波動(dòng)，隨后逐步趨近于零，速度響應(yīng)過程連續(xù)且收斂快，說明速度環(huán)能及時(shí)緩沖位置誤差并協(xié)調(diào)電流輸出變化；圖5.6目標(biāo)角度跳變速度變化曲線電流響應(yīng)方面，如圖5.7所示，跳變時(shí)電流出現(xiàn)短暫負(fù)向脈沖，隨后恢復(fù)為新穩(wěn)態(tài)下的穩(wěn)定波形，整體無高頻震蕩，反映出電流環(huán)具備良好的快響應(yīng)與抗干擾能力，能有效支撐跳變過程中的能量調(diào)節(jié)。圖5.7目標(biāo)角度跳變?nèi)嚯娏髯兓€該組仿真驗(yàn)證了控制系統(tǒng)在面對動(dòng)態(tài)位置變更時(shí)的響應(yīng)速度與輸出穩(wěn)定性，說明三閉環(huán)結(jié)構(gòu)具備良好的綜合調(diào)節(jié)性能和突發(fā)情況應(yīng)對能力，適用于路徑變化頻繁或目標(biāo)實(shí)時(shí)切換的實(shí)際場景。5.3軌跡跟蹤與擾動(dòng)響應(yīng)仿真為進(jìn)一步驗(yàn)證三閉環(huán)控制系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的性能表現(xiàn)，本節(jié)設(shè)置三組典型測試場景，包括周期目標(biāo)角軌跡跟蹤（正弦輸入）、負(fù)載突變擾動(dòng)測試、去除電流環(huán)/速度環(huán)的對比實(shí)驗(yàn)。通過分析各場景下的位置、速度、電流變化趨勢，評估控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、穩(wěn)態(tài)精度與抗擾動(dòng)性能，并明確各控制環(huán)節(jié)在整體系統(tǒng)中的作用與價(jià)值。5.3.1周期目標(biāo)軌跡跟蹤設(shè)定目標(biāo)角為正弦函數(shù)輸入，模擬實(shí)際中復(fù)雜路徑隨動(dòng)控制需求。系統(tǒng)需平滑連續(xù)地跟蹤輸入目標(biāo)。位置響應(yīng)方面，如圖5.8所示，電機(jī)位置變化曲線與目標(biāo)正弦軌跡高度重合，基本無明顯相位延遲或跟蹤誤差，說明位置環(huán)具備良好的同步調(diào)節(jié)能力；圖5.8周期目標(biāo)跟蹤位置變化曲線速度響應(yīng)方面，圖5.9中可見速度曲線隨目標(biāo)角動(dòng)態(tài)變化連續(xù)變化，無跳變、突升現(xiàn)象，在角度變化較快的波峰波谷處呈現(xiàn)平滑過渡，系統(tǒng)具有良好的速度跟隨能力；圖5.9周期目標(biāo)跟蹤速度變化曲線電流響應(yīng)方面，如圖5.10所示，三相電流隨角速度變化同步波動(dòng)，波形規(guī)則，幅值適中，無異常尖峰或失調(diào)，說明電流環(huán)調(diào)節(jié)靈敏，整體系統(tǒng)穩(wěn)定。圖5.10周期目標(biāo)跟蹤三相電流變化曲線該組仿真結(jié)果說明系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)角的連續(xù)跟蹤，適用于路徑規(guī)劃執(zhí)行、柔性控制等對響應(yīng)連續(xù)性要求較高的場景。5.3.2負(fù)載擾動(dòng)仿真在仿真運(yùn)行1秒時(shí)，系統(tǒng)負(fù)載從0突變至較大值，模擬外部負(fù)載擾動(dòng)注入，用于評估控制系統(tǒng)的魯棒性與擾動(dòng)抑制能力。位置響應(yīng)方面，圖5.11顯示，在擾動(dòng)注入瞬間，位置曲線僅產(chǎn)生微小偏移，隨后迅速恢復(fù)至原目標(biāo)軌跡，說明系統(tǒng)具備良好的擾動(dòng)抑制能力；圖5.11負(fù)載擾動(dòng)位置變化曲線速度響應(yīng)方面，如圖5.12所示，速度在擾動(dòng)發(fā)生時(shí)略有下降，之后在0.2秒內(nèi)迅速回穩(wěn)，說明速度環(huán)快速介入，有效補(bǔ)償了擾動(dòng)帶來的動(dòng)態(tài)偏差；圖5.12負(fù)載擾動(dòng)速度變化曲線電流響應(yīng)方面，圖5.13顯示電流在擾動(dòng)瞬間出現(xiàn)幅值快速上升，表明電流環(huán)第一時(shí)間對負(fù)載變化做出響應(yīng)，隨后輸出重新趨穩(wěn)，系統(tǒng)輸出能力良好。圖5.13負(fù)載擾動(dòng)三相電流變化曲線整體來看，該仿真驗(yàn)證了電流環(huán)在對突變負(fù)載的響應(yīng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，而位置與速度環(huán)則維持系統(tǒng)總體穩(wěn)定，有效協(xié)同應(yīng)對外界擾動(dòng)。5.3.3去除電流環(huán)對比仿真為評估電流環(huán)在三閉環(huán)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用，本節(jié)設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)：在保留位置環(huán)與速度環(huán)的情況下，屏蔽最內(nèi)層的電流環(huán)，即使速度控制器直接輸出控制量給PWM驅(qū)動(dòng)器，繞過電流反饋通道。其余控制結(jié)構(gòu)與仿真參數(shù)保持一致，負(fù)載擾動(dòng)依然在1秒處注入。位置響應(yīng)方面，如圖5.14所示，位置響應(yīng)雖然仍能最終趨近目標(biāo)值，但整體波形略有波動(dòng)，尤其在響應(yīng)初期存在超調(diào)現(xiàn)象，說明系統(tǒng)在無電流精細(xì)調(diào)節(jié)下失去了輸出穩(wěn)定性；圖5.14去除電流環(huán)位置變化曲線速度響應(yīng)方面，圖5.15顯示，速度在擾動(dòng)前后均存在高頻震蕩，表現(xiàn)出調(diào)節(jié)過程的遲緩與抖動(dòng)特征，說明速度環(huán)無法獨(dú)立穩(wěn)定電機(jī)響應(yīng)，缺乏足夠的能量控制基礎(chǔ)；圖5.15去除電流環(huán)速度變化曲線電流響應(yīng)方面，圖5.16中三相電流波形明顯失穩(wěn)，波動(dòng)劇烈，存在過沖、尖峰等現(xiàn)象，難以維持正弦波形。說明系統(tǒng)在缺乏電流閉環(huán)調(diào)節(jié)后，電流輸出完全依賴于速度控制的間接調(diào)節(jié)，難以應(yīng)對快速動(dòng)態(tài)或擾動(dòng)。圖5.16去除電流環(huán)三相電流變化曲線該實(shí)驗(yàn)充分說明電流環(huán)在系統(tǒng)中起到了輸出穩(wěn)定與快速響應(yīng)的關(guān)鍵作用。電流調(diào)節(jié)的缺失將直接導(dǎo)致能量驅(qū)動(dòng)層失控，進(jìn)而影響速度和位置控制效果，即使外層環(huán)節(jié)保持，也無法彌補(bǔ)低層能量調(diào)節(jié)失效帶來的系統(tǒng)震蕩。5.3.4去除速度環(huán)對比仿真為進(jìn)一步驗(yàn)證三閉環(huán)中各控制環(huán)節(jié)的重要性，本節(jié)對控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限簡化，僅保留最外層的位置環(huán)控制器，完全去除速度環(huán)與電流環(huán)，即位置誤差直接輸出目標(biāo)控制值參與PWM調(diào)制，形成“單閉環(huán)”控制結(jié)構(gòu)。由于該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極差，實(shí)驗(yàn)中未引入外部負(fù)載擾動(dòng)，僅在無干擾條件下測試系統(tǒng)對固定目標(biāo)角度的響應(yīng)行為。位置響應(yīng)方面，如圖5.17所示，系統(tǒng)初始階段可推動(dòng)電機(jī)向目標(biāo)角度移動(dòng)，但在接近目標(biāo)位置后未能有效穩(wěn)定，曲線出現(xiàn)顯著的周期性振蕩。這說明誤差未被合理緩沖和削減，系統(tǒng)處于持續(xù)過調(diào)與反調(diào)之間，無法收斂；5.17進(jìn)一步去除速度環(huán)位置變化曲線（2）速度響應(yīng)方面，圖5.18中速度曲線變化劇烈，方向頻繁反轉(zhuǎn)，表明由于缺乏速度調(diào)節(jié)層的平滑作用，電機(jī)直接受位置誤差驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)過度、響應(yīng)沖動(dòng)，導(dǎo)致速度控制完全失效；5.18進(jìn)一步去除速度環(huán)速度變化曲線（3）電流響應(yīng)方面，圖5.19顯示電流波形劇烈震蕩，周期性大幅波動(dòng)，存在明顯過沖和高頻切換，表明系統(tǒng)完全無法維持穩(wěn)定電流輸出，電機(jī)驅(qū)動(dòng)嚴(yán)重紊亂。5.19進(jìn)一步去除速度環(huán)三相電流變化曲線該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：若控制系統(tǒng)僅依賴位置誤差直接驅(qū)動(dòng)輸出，未經(jīng)過速度與電流的逐級調(diào)節(jié)，系統(tǒng)將極易陷入高頻震蕩、周期性沖突與控制失控狀態(tài)。速度環(huán)和電流環(huán)在調(diào)節(jié)速率、抑制誤差沖動(dòng)、穩(wěn)定能量輸出方面缺一不可，三閉環(huán)的分層控制策略是保障系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。5.4仿真性能分析總結(jié)為系統(tǒng)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)三閉環(huán)控制策略的性能表現(xiàn)，本文設(shè)置目標(biāo)角度分別為1rad、2rad和3rad三組工況，分析其在不同目標(biāo)輸入下的位置響應(yīng)、速度變化及電流調(diào)節(jié)過程。圖像結(jié)果顯示：系統(tǒng)在三種輸入幅值下均能實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過程，具有良好的魯棒性與自適應(yīng)能力，現(xiàn)總結(jié)如下：（1）位置跟蹤性能一致，響應(yīng)速度快三組目標(biāo)角均從0rad啟動(dòng)，最終穩(wěn)定在各自設(shè)定值；電機(jī)在所有工況下均能在約1秒內(nèi)完成響應(yīng)并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)區(qū)間，收斂時(shí)間差異極??；曲線呈典型一階響應(yīng)特性，無明顯超調(diào)或滯后，說明系統(tǒng)位置環(huán)調(diào)節(jié)效果良好、動(dòng)態(tài)性能一致性強(qiáng)；目標(biāo)角幅值的增大并未對系統(tǒng)響應(yīng)速度產(chǎn)生顯著影響，體現(xiàn)出控制器具備一定程度的幅值無關(guān)特性。（2）速度響應(yīng)穩(wěn)定，變化趨勢合理三組速度曲線均在初期快速上升，隨后下降至零；雖然目標(biāo)角度不同，初始加速度略有差異，但總體趨勢一致，均無抖動(dòng)、無突變；說明速度環(huán)可根據(jù)不同誤差大小自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出，動(dòng)態(tài)緩沖效果顯著，提升系統(tǒng)整體平滑性。（3）電流調(diào)節(jié)快速，功率響應(yīng)良好電流波形在各組測試中均出現(xiàn)短時(shí)過渡，隨后迅速趨于穩(wěn)定；隨著目標(biāo)角度增大，電流的峰值略有提高，反映出系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)載需求自動(dòng)增加輸出；無論是±100A還是±200A范圍內(nèi)波動(dòng)，均在1秒內(nèi)收斂為穩(wěn)態(tài)正弦，說明電流環(huán)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、系統(tǒng)能量輸出穩(wěn)定可靠。（4）綜合評價(jià)綜上所述，本文控制系統(tǒng)在面對1～3rad不同目標(biāo)角輸入時(shí)，均表現(xiàn)出以下特性：調(diào)節(jié)速度快：所有工況均在1秒左右完成；穩(wěn)定性高：無明顯超調(diào)、振蕩或遲滯；響應(yīng)一致：系統(tǒng)對不同輸入幅值具有高度適應(yīng)性；能量調(diào)節(jié)及時(shí)：電流環(huán)能在負(fù)載變化下快速收斂；各控制環(huán)分工明確，三閉環(huán)結(jié)構(gòu)協(xié)同穩(wěn)定、高效。本節(jié)仿真驗(yàn)證表明，三閉環(huán)控制系統(tǒng)具備優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能統(tǒng)一特性，為后續(xù)實(shí)物系統(tǒng)移植和復(fù)雜任務(wù)擴(kuò)展提供可靠控制基礎(chǔ)。

第6章實(shí)物測試與系統(tǒng)驗(yàn)證6.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與功能測試為驗(yàn)證控制系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境中的可行性與穩(wěn)定性，本文基于STM32微控制器構(gòu)建了完整的實(shí)物測試平臺(tái)，搭建了由主控單元、驅(qū)動(dòng)電路、無刷電機(jī)、磁編碼器、OLED顯示模塊等組成的硬件系統(tǒng)，并通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對各模塊的調(diào)度與數(shù)據(jù)交互。首先，選用意法半導(dǎo)體推出的NUCLEO-G474RE開發(fā)板作為主控芯片。該芯片基于STM32G4系列Cortex-M4內(nèi)核，支持高性能定時(shí)器與多通道PWM輸出，具備豐富的ADC采樣與I2C通信能力，適用于電機(jī)控制類應(yīng)用。硬件電路連接如圖6.1所示，完成了主控芯片與各功能模塊的物理連接。圖6.1NUCLEO-G474RE主控接口引腳分布圖執(zhí)行單元選用AE2207型號無刷直流電機(jī)，其為2207規(guī)格航模無刷電機(jī)，額定電壓約12V，轉(zhuǎn)速較高、慣量小，適合用于臺(tái)式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的響應(yīng)性能測試。為配合該電機(jī)的三相驅(qū)動(dòng)控制，本文使用EG2103無刷電調(diào)電路板，其支持PWM控制方式，內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2101與功率MOS，具備過流保護(hù)與死區(qū)控制能力。電角度檢測部分，使用MT6701磁編碼器模塊對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行角度采集。該模塊采用I2C通信方式連接主控I2C1口（PB8、PB9），采樣角度精度達(dá)到0.1°，可穩(wěn)定反饋轉(zhuǎn)軸當(dāng)前機(jī)械角度，用于反饋FOC算法的閉環(huán)控制。在程序啟動(dòng)后，系統(tǒng)首先通過foc_init方法初始化控制器結(jié)構(gòu)體，并通過foc_calibrate_encoder_offset方法完成初始電角度的吸附與偏移校準(zhǔn)，隨后啟動(dòng)TIM1三通道PWM輸出實(shí)現(xiàn)空間矢量調(diào)制。在TIM6定時(shí)中斷中執(zhí)行foc_update方法實(shí)現(xiàn)控制主邏輯，并根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)目標(biāo)角度與PWM輸出。在主循環(huán)中，程序持續(xù)讀取磁編碼器反饋角度，并在識(shí)別到穩(wěn)定靜止時(shí)自動(dòng)執(zhí)行foc_set_zero_offset函數(shù)完成零點(diǎn)校準(zhǔn)。同時(shí)將當(dāng)前目標(biāo)角度、電流估算值、偏移角度等信息通過OLED顯示屏動(dòng)態(tài)展示，便于觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。圖6.2整機(jī)運(yùn)行實(shí)拍圖整體系統(tǒng)在通電后可快速完成電角度吸附并進(jìn)入閉環(huán)控制狀態(tài)，具備較好的穩(wěn)定性與響應(yīng)性能。在后續(xù)章節(jié)中將詳細(xì)展開實(shí)測結(jié)果與各場景測試數(shù)據(jù)。6.2電角度識(shí)別與極對數(shù)校準(zhǔn)驗(yàn)證電角度是FOC控制算法中核心的參考變量，其準(zhǔn)確性直接影響Clarke與Park變換的方向，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的輸出效果與穩(wěn)定性。在實(shí)物系統(tǒng)中，電角度由磁編碼器MT6701提供的機(jī)械角度與電機(jī)極對數(shù)共同計(jì)算得出：θ然而由于電機(jī)初始安裝方向、接線極性、磁環(huán)相位等因素不同，實(shí)際運(yùn)行中存在一個(gè)固定的角度偏移，若不進(jìn)行校準(zhǔn)，將導(dǎo)致電角度偏離轉(zhuǎn)子真實(shí)磁極方向，從而使FOC控制失效或轉(zhuǎn)矩輸出異常。為此，系統(tǒng)在上電啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行電角度吸附校準(zhǔn)流程。具體步驟如下：（1）強(qiáng)制輸出電角度為0°在主控程序啟動(dòng)階段，通過foc_control_elec(state,0.0f,amplitude)強(qiáng)制輸出0°電角度，并保持一定PWM幅值（如0.03），使電機(jī)定子磁場穩(wěn)定地吸附住轉(zhuǎn)子某一磁極位置。（2）延時(shí)等待轉(zhuǎn)子吸附穩(wěn)定調(diào)用HAL_Delay(1000)延遲1秒，確保電機(jī)穩(wěn)定靜止在吸附位置。（3）讀取當(dāng)前機(jī)械角度使用函數(shù)指針get_angle_cb函數(shù)回調(diào)磁編碼器角度讀取函數(shù)，記錄吸附時(shí)的機(jī)械角度θmech0。（4）計(jì)算實(shí)際電角度根據(jù)設(shè)定的極對數(shù)（默認(rèn)為7）計(jì)算出當(dāng)前吸附狀態(tài)下的實(shí)際電角度θelec0=P×θmech0，并將該值作為電角度偏移量存儲(chǔ)到state->zero_electric_offset。在后續(xù)控制流程中，每次計(jì)算電角度時(shí)，均減去該偏移量[17]：θ從而保證坐標(biāo)變換與真實(shí)轉(zhuǎn)子磁極方向一致，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)磁場定向。6.3電角度校準(zhǔn)過程流程圖該校準(zhǔn)流程只需在上電時(shí)執(zhí)行一次，且對磁編碼器方向、安裝偏移具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若檢測到當(dāng)前位置穩(wěn)定不動(dòng)，用戶還可通過按鍵手動(dòng)觸發(fā)foc_set_zero_offset函數(shù)重新校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)在線精度提升。實(shí)際驗(yàn)證中，系統(tǒng)在吸附后讀取的機(jī)械角度大致穩(wěn)定在固定值（如52.3°），對應(yīng)電角度為366.1°，自動(dòng)偏移后輸出磁場方向與轉(zhuǎn)子方向保持一致，電流響應(yīng)平穩(wěn)，說明校準(zhǔn)邏輯運(yùn)行正確，電角度精度滿足控制系統(tǒng)要求。6.3目標(biāo)角跟蹤與響應(yīng)驗(yàn)證為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)三閉環(huán)控制系統(tǒng)在實(shí)物電機(jī)中的運(yùn)行效果，本節(jié)基于NUCLEO-G474RE與無刷電機(jī)構(gòu)建實(shí)物控制平臺(tái)，采用按鍵設(shè)定目標(biāo)角度、OLED實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)的方式，測試系統(tǒng)在不同控制邏輯下的響應(yīng)情況。重點(diǎn)考察系統(tǒng)對目標(biāo)角的跟蹤能力、追蹤精度與穩(wěn)態(tài)保持效果。6.3.1目標(biāo)角追蹤響應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上電后默認(rèn)將電機(jī)旋轉(zhuǎn)至180°作為初始目標(biāo)位置，同時(shí)自動(dòng)完成電角度偏移校準(zhǔn)過程。此后可通過按鍵手動(dòng)調(diào)整目標(biāo)角度，分別以±10°步長增加或減少目標(biāo)值。OLED實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前目標(biāo)角度（Target）與電機(jī)實(shí)際角度（Pos），用于觀察閉環(huán)控制精度與響應(yīng)速度。實(shí)際測試過程中，電機(jī)可在目標(biāo)角度變化后迅速進(jìn)行調(diào)整，平均約0.3～0.5秒內(nèi)完成對位。位置響應(yīng)過程平穩(wěn)，無振蕩現(xiàn)象；目標(biāo)角調(diào)整后，電機(jī)能夠快速逼近并穩(wěn)定在設(shè)定值附近，最終誤差控制在0.01°級別。該結(jié)果說明系統(tǒng)具備高精度的角度跟蹤能力，位置環(huán)與速度環(huán)調(diào)節(jié)效果良好。6.3.2目標(biāo)跳變響應(yīng)測試在持續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下（按下“開始旋轉(zhuǎn)”按鍵），可通過手動(dòng)修改目標(biāo)角度實(shí)現(xiàn)角度突變跳變測試。實(shí)測中，目標(biāo)角度突變后，系統(tǒng)能立刻完成加減速過程并調(diào)整方向，電機(jī)迅速響應(yīng)目標(biāo)變化。整個(gè)過程連續(xù)、平滑，無機(jī)械卡頓或中斷，驗(yàn)證了系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。6.3.3電角度校準(zhǔn)驗(yàn)證系統(tǒng)通電初始階段，將目標(biāo)角固定輸出為180°，電機(jī)在磁場作用下吸附至最近穩(wěn)定位置，通過讀取當(dāng)前機(jī)械角度并與極對數(shù)計(jì)算對應(yīng)電角度偏移值，完成初始零點(diǎn)校準(zhǔn)。此后系統(tǒng)運(yùn)行中能保持電角與機(jī)械角同步。實(shí)測中觀察到：初始校準(zhǔn)完成后，實(shí)際角度與目標(biāo)角一致性良好，無累計(jì)偏差現(xiàn)象，說明電角度自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制有效。6.4擾動(dòng)響應(yīng)測試為驗(yàn)證三閉環(huán)控制系統(tǒng)對外部擾動(dòng)的抑制能力，本節(jié)在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行至目標(biāo)角度后，通過人工擾動(dòng)方式引入外力干擾，觀察實(shí)際角度變化與系統(tǒng)恢復(fù)過程。該實(shí)驗(yàn)旨在評估控制系統(tǒng)在靜止?fàn)顟B(tài)下的抗干擾性能與位置保持能力。（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)置在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，電機(jī)保持靜止，目標(biāo)角度與當(dāng)前角度一致。此時(shí)人為施加擾動(dòng)力矩，即用手輕微扭轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子，模擬外界機(jī)械干擾。通過OLED屏幕觀察電機(jī)“實(shí)際角度”與“目標(biāo)角度”的偏差情況，同時(shí)評估系統(tǒng)響應(yīng)過程。（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：電機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)下具有明顯的保持力矩，轉(zhuǎn)子難以被手動(dòng)旋轉(zhuǎn)；受擾動(dòng)影響時(shí)，OLED上顯示的實(shí)際角度產(chǎn)生短時(shí)偏移，偏差最大約為2～3度；當(dāng)外力釋放后，系統(tǒng)能在極短時(shí)間內(nèi)（約0.2～0.3秒）快速將轉(zhuǎn)子恢復(fù)至原目標(biāo)位置；整個(gè)恢復(fù)過程平穩(wěn)，無震蕩或超調(diào)現(xiàn)象，說明電流環(huán)對轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)迅速、位置環(huán)調(diào)節(jié)精確。上述現(xiàn)象表明，系統(tǒng)具備良好的抗擾動(dòng)能力。三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)在擾動(dòng)發(fā)生后能及時(shí)檢測位置偏差，快速生成補(bǔ)償電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)對抗擾動(dòng)并恢復(fù)至原位，有效實(shí)現(xiàn)位置保持功能。（3）工程意義相比傳統(tǒng)開環(huán)驅(qū)動(dòng)，本文所用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)能在靜止?fàn)顟B(tài)下提供穩(wěn)固的保持能力，適用于對“抗擾、穩(wěn)位”有高要求的應(yīng)用場景，如精密定位設(shè)備、伺服執(zhí)行器等。6.5三相PWM與等效電壓波形分析為驗(yàn)證控制系統(tǒng)輸出的三相電壓波形是否符合預(yù)期，進(jìn)一步確認(rèn)電角度與PWM調(diào)制的匹配關(guān)系，本節(jié)選取了兩組典型運(yùn)行狀態(tài)：電角度固定為60°的穩(wěn)態(tài)輸出，以及連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中的動(dòng)態(tài)輸出，分別記錄其三相PWM波形與平均等效電壓變化，并進(jìn)行分析。（1）固定電角度下的PWM波形分析圖6.4展示了系統(tǒng)在電角度固定為60°時(shí)，三相A/B/C的PWM占空比波形。在這一狀態(tài)下，雖然三相波形在時(shí)域上等周期分布，但由于PWM頻率較高，肉眼無法清晰辨識(shí)電角度相位差。但通過觀察波形的頂部與底部形狀可見：A相（紅色）為典型“T形”：頂部較寬、底部尖銳，表示占空比高；B相（綠色）呈現(xiàn)“倒T形”：頂部尖銳、底部寬，表示占空比低；C相（藍(lán)色）上下寬度接近，接近于50%占空比。圖6.4固定電角度60°下三相PWM波形圖此三相PWM分布特征雖然無法直觀展示120°相位差，但已具備調(diào)制形態(tài)的對稱性和相對幅值關(guān)系，說明系統(tǒng)內(nèi)部的dq變換與SVPWM調(diào)制邏輯執(zhí)行正常。（2）固定電角度下的等效電壓分析圖6.5為在相同固定電角度（60°）下的三相平均等效電壓結(jié)果（通過PWM占空比求平均后繪制）：A相電壓最高，B相最低，C相居中；三相電壓呈現(xiàn)合理的分布梯度，滿足電角度60°下的正弦分布要求。圖6.5固定電角度60°下三相等效電壓曲線該圖比原始PWM更直觀地呈現(xiàn)了相對幅值關(guān)系，清晰地反映了當(dāng)前電角度下三相電壓輸出幅值之間的對稱與差異，驗(yàn)證了電角度計(jì)算、逆Park變換及Clarke變換后的調(diào)制結(jié)果準(zhǔn)確。（3）連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程下的PWM波形圖6.6展示了系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的三相PWM波形變化。由于電角度持續(xù)變化，三相PWM信號隨之連續(xù)調(diào)節(jié)，占空比呈周期性波動(dòng)：三相PWM之間存在明顯錯(cuò)位關(guān)系，但難以通過肉眼直接判斷相位差是否為120°；觀察上可見三相“密集—稀疏”的交替規(guī)律，符合周期性調(diào)制趨勢；整體波形平穩(wěn)，無抖動(dòng)、缺相或突變現(xiàn)象，系統(tǒng)連續(xù)性良好。圖6.6旋轉(zhuǎn)過程中三相PWM波形圖說明控制系統(tǒng)在運(yùn)行中能夠根據(jù)