【超硬货】FOC（电机矢量控制）程序分块细解_foc控制程序

0、前言

永磁同步电机（PMSM）位置、速度、电流三闭环矢量控制（FOC）软件（以下简称“软件”）是为学习矢量控制算法而编写的，针对的是永磁同步电机，BLDC也可用，但是淘宝上面的电机大多数都是BLDC，传感器都是霍尔的（如果BLDC用FOC控制的话，扭矩是要比方波六步换相稍微低一些，但是声音会小很多而且扭矩平稳，所以我最喜欢玩霍尔BLDC的FOC控制），PMSM要比BLDC贵一些，理论上ABZ编码器foc最简单，hall_foc次之，无感foc转起来简单，控制得好比较难，当确认硬件板子没问题后，所有的电机控制都是参数问题了（建议一边学foc，一边理解这些参数）。

我有一套驱控（双驱，还顺便放了一个有刷控制接口和舵机控制接口）准备有偿提供，它既可以ABZ编码器控制，也可以BLDC方波控制，又可以BLDC霍尔FOC控制，又可以无感FOC控制 ，整套硬件采用模块化设计，驱控分离，预留多个冗余接口，单个驱动12个大mos管（单个 85V 160A），带有定时器BKE刹车和泄放电阻，最大可以支持功率为2KW的电机稳定运行（如果功率差距太大，采样电阻最好改一下），如果你不想管FOC的底层原理，只要求拿来就可调可用还有人指导，那这个再合适不过了，如果需要的朋友可以私信我，看最近是否有时间，本人有点考虑提供一对一的代码梳理服务。

首先说明，出此教程的目的，是为了让广大初学者可以挣脱淘宝CSDN海量教程的毒害，因为经常看到一些初学者搞了一堆资料，学了大半年，结果连程序都看不懂，实践的时候最多也就是按照教程接好线，通电看电机转一转，浪费的大量的时间和金钱，很多细节问题不清楚，没有解决问题的能力。

所以，我想以一套完整的、成熟的PMSM的FOC控制方案为例，从各个方面详细讲解了FOC的原理、实现方法等知识，几乎是逐条的分析了程序，又兼顾程序的系统层面，目的是让初学者看完我的资料，可以对FOC控制有一个类似游戏里面的“大地图”的概念，能达到这个目的，我就很满足了。知识是个触类旁通的东西，相信大家学完这个FOC算法后，肯定会对电机控制有一个更深的认识，其实也就是那么回事儿。

1. 软件功能设计

1.1 总体框架

本文以程序中采用的最常见的id=0电流控制策略为例进行说明。

学习矢量控制，PMSM调速系统的框图必须要熟悉，如图1所示。其中红色虚线包围的为电流环。

                               图1  PMSM调速系统结构框图

    从框图中可以看出，FOC运算，需要知道电机的三相电流和转子位置，因此我们在设计中，需要采集、解算这两个量。另外，三闭环控制时，位置环的输出作为速度环的指令，速度环的输出作为电流环的指令，当然，这些指令，都可以来自上位机输入，形成单电流闭环、或者速度电流双闭环控制的形式。

硬件平台我们采用常见的DSP，资源如下：

1. 处理器：TMS320F28335，晶振频率30MHz，工作主频150MHz；
2. 存储器：TMS320F28335内部资源模块寄存器，片内18K×16位SARAM存储器，64K×16位Flash存储器；
3. 中断源：Pwm1中断，8Khz；

软件的构成如图2所示。

图2 软件结构图

软件通过RS232与上位机实时通讯交互，在主循环中采用查询的方式接收上位机发送的系统工作模式、伺服指令，并将系统相关状态监测量实时反馈给上位机；为了保障系统安全，软件对输入指令进行了限幅，避免指令超限。

1.2 主要功能

软件的具体功能及实现需求如下：

 a）在控制电源上电后，完成各功能模块初始化；

 b）通过串口与上位机通讯。通过查询方式接收上位机数据，并进行解析；

 c）利用TI最新的SVPWM算法，产生占空比，驱动功率板；

 d）通过DSP内部自带ADC采集母线电压信号、相电流信号；

 e）完成位置闭环、速度闭环、电流闭环调节；

 f）系统状态监测、故障诊断与处理（工业应用中故障诊断、系统检测是很复杂的，为了突出本教程重点，故程序仅保留过压、欠压、过流保护功能）；

控制软件全部功能描述见表1和表2所示 。

表1软件功能描述

表2 软件性能描述

1.3 程序接口

与FOC控制软件相关的硬件接口，包括RS232串口，片内ADC，外设I/O，数字I/O等，连接关系见图3所示，具体的IO配置表见附录I所示。

图3  DSP接口图

2、软件架构设计

暂且把这个架构叫《伺服软件迭代进化架构》吧。

伺服软件代码架构千奇百怪，初学者甚至是一些“老师傅”都很难辨别优劣，差的架构不利于代码的理解，更不利于知识的积累，跨平台移植代码更是劳民伤财，不利于个人、企业的发展。

故本人根据自己的理解，提出本架构，买家可以依托自己原有的技术积累，以此架构为平台，进行自身技术的积累，软件的迭代、进化，通过不断的学习、实践，凝结核心技术，形成多种成熟可靠的电机控制软件平台，逐步扩充自己的伺服软件型谱，提高个人薪资竞争力，同时，打造出值得信赖的伺服软件品牌。

2.1 架构规划

软件采用分层架构设计思想，分5个层次。

（1）系统配置层（CMD文件、LIB文件、启动文件、官方库文件……）。

（2）外设配置层（时钟、GPIO分配、ADC配置、PWM配置、SCI配置……）。

和硬件确定标准接口，明确所有接口的首选、备选方案。

根据无刷驱动特点，设置标准的底层配置模式，可实现快速切换。

（3）模块驱动层（速度反馈解算、位置反馈解算、各种滤波、指令斜坡处理、SVPWM计算、ClarkPark变换、各种PID运算、串口通信、总线、故障诊断……）。

以功能划分模块，各模块之间采用水平逻辑，模块内采用自上而下的垂直逻辑。

每个模块自成体系，具有明确的输入、输出，设置自己的参数结构体，表征所有用到的中间变量、标志位信息，整个生命周期不能直接影响模块以外的任何变量、参数，必须采用参数传递的形式。

模块采用统一写法，设计时必须附带调用说明，参数设置说明，功能说明等文档。

模块之间相互独立，便于更新、升级。

通过项目验证的，进入CBB货架管理，通过多次飞试验证等，进行封包，进入系统配置层的LIB中。 

（4）控制算法层

a）前馈补偿、抗负载扰动、参数惯量（电机极对数、旋变极对数、旋变安装偏差、电阻、电感、转动惯量、负载转矩、反电动势系数、摩擦系数）、参数自整定（电流环、速度环PI参数）、电流解耦、死区补偿、执行机构末端抖振抑制、母线电压波动拟制补偿、再生制动、能量回馈、故障保护（常规故障保护、缺相运行、异常状态的再启动等技术）……

b）弱磁、直接转矩……

c）无位置算法（观测器、锁相环、高频注入……）

d）先进智能控制算法的研究应用（自抗扰、滑模变结构）……

根据算法需求，调用模块驱动层的函数，进行算法设计。

同样，算法之间平行、独立，自成体系，采用标准写法。

软件人员利用实验平台，验证先进的智能控制算法，不断的扩充算法层、优化、升级现有算法层中内容。

成熟稳定的算法可进入模块驱动层，无需修改，供直接调用。

（5）任务调度层（实时任务采用中断机制，执行快速、慢速流程任务，非实时任务采用多任务调度机制，整个软件采用实时操作系统进行任务调度）。

中断任务中完成实时性较强的电流电压采集、控制算法和故障保护等任务，不同的实时任务运行于不同的控制周期；

多任务调度系统中完成通信、系统检测等实时性要求较弱的任务。

2.2 架构特点

（1）跨平台开发时，仅需移植系统配置层、外设配置层，内容很少，而核心的模块驱动层、软件算法层、任务调度层可无需修改，直接复制。

（2）模块按最小化功能划分，输入、输出、中间变量明确，各模块之间完全独立，使得功能函数的迁移完全自由，极大方便了协同工作，同时，给同一功能不同实现方法的对比分析提供了便利条件，有利于整个软件的迭代、进化。

（3）算法层模块化处理，使得软件可以很方便的借助Simulink工具对已有c形式的算法进行脱离硬件平台的仿真验证，模拟出很多硬件难以达到的边界条件，扩充了算法验证手段。同时，也更方便借助Simulink代码生成技术，对新算法先仿真，然后直接生成可用的c代码，加快了新算法、新控制策略的落地、应用。

（4）任务调度层模块化处理，单线程中任务跳转逻辑可采用Stateflow进行设计、验证，复杂系统的多进程任务，可采用RTOS进行调度、管理。

（5）组织架构清爽，模块界线清晰，方便排查问题。

（6）优秀的架构，使得软件的质量和可靠性得到保证。

2.3 实施步骤

选择1个具有代表性的型号，按以下步骤展开工作：

（1）以任务书为指导，按架构设计伺服软件框架。

输出：软件架构以及功能说明。

（2）从标准和产品特点出发，形成功能函数的编写模板。

输出：功能函数模板。

（3）梳理软硬件接口推荐表，进行软件底层配置的首选配置以及备选配置的快速切换设计，封装固定模式，预留可调模式的对外接口。

输出：推荐接口表；底层架构。

（4）按软件功能划分模块，梳理模块驱动层中所有函数的输入、输出、中间变量、激励要素等，并按c语言模板进行初次定型。

输出：功能函数表；每个函数的输入、输出要素表。

（5）实时任务、非实时任务流程设计，完成项目调试、交付，对软件进行评审。

输出：软件改进建议表。

（6）改进软件、新项目中继续验证优化，算法迭代、进化……

同时，梳理需求，搭建实验平台，帮助算法验证。

2.4 具体形式

（1）软件模块的组织形式见图4所示。

图4 代码组织形式

1_SystemConfigs(系统配置层)

   01_CMD

   02_LIB （TI自带库、自行封装库）

   03_Ti_Include

   04_Ti_Source

2_PeripheralConfigs（外设配置层）（时钟、片内外的外设、GPIO分配及状态）

   01_ADC_Init.c  

   01_ADC_Init.h

   02_ePWM_Init.c

   02_ePWM_Init.h

   03_SCI_Init.c

   03_SCI_Init.h

   04_GPIO_Init.c

   04_GPIO_Init.h

   ……….

3_Module_Drive（模块驱动层）

   01_Interface （转子位置角获取，三相电流获取，电压、温度等的获取）

   02_Driver（速度解算、PI运算、SVPWM计算、ClarkPark变换……）

   03_Diagnosis （故障诊断）

   04_Communication（串口通信、总线通信协议……）

05_MathFunction（斜坡处理、各种滤波、数学运算……）

……….

4_Algorithm（控制算法层）

   01_ParaEstimate（极对数、电阻、电感、负载、转动惯量、反电势系数等辨识）

   02_Self_Tuning（机械电气零位自整定，电流环、速度环等参数自整定）

   03_Control（FOC算法，解耦、补偿、抑制抖动、弱磁、DTC、自抗扰、滑模……）

   04_Sensorless（观测器、PLL、高频注入……）

……….

5_Multitask_Scheduing(任务调度层)

   01_Scheduing （实时任务中断内快速、慢速流程调度）

   02_OS-II (非实时任务，采用操作系统进行调度)

(移植的实时操作系统放置在系统配置层中)

（2）模块编写参考形式：

模块驱动层可参考TI的宏程序写法，采用1个H文件即可完成一个功能的编写，规范后直接调用即可。

/* =============File name:RAMPGEN.H  ===========*/

#ifndef __RAMPGEN_H__

#define __RAMPGEN_H__

typedef struct { _iq  Freq; // Input: Ramp frequency (pu)

       _iq  StepAngleMax; //Maximum step angle (pu)

         _iq  Angle; // Variable: Step angle (pu)

     _iq  Gain; // Input: Ramp gain (pu)

     _iq  Out;     // Output: Ramp signal (pu)

     _iq  Offset; // Input: Ramp offset (pu)

         } RAMPGEN;             

/*---------------  Object Initializers-----------------*/                       

#define RAMPGEN_DEFAULTS {0, \

  0, \

  0, \

  _IQ(1), \

  0, \

  _IQ(1), \

                         }

/*--------RAMP(Sawtooh) Generator Macro Definition------*/                                               

#define RG_MACRO(v) \

/* Compute the angle rate */ \

v.Angle += _IQmpy(v.StepAngleMax,v.Freq); \

/* Saturate the angle rate within (-1,1) */ \

if (v.Angle>_IQ(1.0)) \

v.Angle -= _IQ(1.0); \

else if (v.Angle<_IQ(-1.0)) \

v.Angle += _IQ(1.0); \

v.Out=v.Angle;

#endif // __RAMPGEN_H__

也可参考以下写法：

H文件：定义自己的结构体，设置结构体变量初始值，声明对应函数。

/*

 * CurrentGet.h

*/

#ifndef IPHASEGET_H_

#define IPHASEGET_H_

//======= 定义   三相电流采样   结构体变量类型   ===========================================

typedef struct

{

    float                IaTemp;  //A相电流,临时变量

    float                IbTemp;  //B相电流,临时变量

    float                IcTemp;  //C相电流,临时变量

    float                IaOffset;  //iA零偏

    float                IbOffset;  //iB零偏

    float                IcOffset;  //iC零偏

float               Ia;      //iA

float               Ib;      //iB

float               Ic;      //iC

}IPhaseStr;

#define IPhaseStr_DEFAULTS {0,0,0,\

    0,0,0,\

    0,0,0,\

                         }

//======= 函数声明   ===========================================

void GetIPhase(void);

#endif /* CURRENTGET_H_ */

对应的C文件：初始化结构体，函数自上而下垂直结构，输入、输出明确，不能直接使用其他函数的量，必须进行参数传递。对所有会用到、需观测的中间变量设置出来，供使用。

/*

 * CurrentGet.c

*/

#include "CurrentGet.h"

#include "Para_Settings.h"

IPhaseStr IPhase = IPhaseStr_DEFAULTS;

//************************************************************

  @ Description: 电机三相电流采样

  @ Param

  @ Return

//************************************************************

void GetIPhase()

{

IPhase.IaTemp = ((AdcRegs.ADCRESULT0>>4)*0.0182-44.46)*0.586;   

IPhase.IcTemp = ((AdcRegs.ADCRESULT1>>4)*0.0182-44.46)*0.586;   

IPhase.IaNew = (IPhase.IaNew*CURR_K1 + IPhase.IaTemp*CURR_K2);

IPhase.IcNew = (IPhase.IcNew*CURR_K1 + IPhase.IcTemp*CURR_K2);

IPhase.Ia = IPhase.IaNew-IPhase.IaOffset;            //得到iA

IPhase.Ic = IPhase.IcNew-IPhase.IcOffset;            //得到iC

IPhase.Ib = 0 - IPhase.Ia - IPhase.Ic;               //得到iB

}

// End of file.

//============================================================

3、详细设计

对于采用增量式编码器的电机，初次使用时，需要知道编码器零位和电机零位之间的安装偏差，具体原理和操作步骤见《02_ABZ编码器校准原理及教程》，本文档中默认，大家已经做好了校准工作了。

3.1主循环模块

3.1.1功能描述

主循环模块是程序运行时的主控流程，控制程序的流程走向。

软件在控制电源上电复位后执行主程序，主程序完成初始化后，开中断（触发周期125us），然后进入主循环等待中断的发生，同时在主循环中完成与上位机的实时通讯，翻转LED，提示用户系统正在正常运行中。

3.1.2流程逻辑

主程序主要完成初始化（相关功能模块初始配置，控制变量、结构体的初始化），开主中断，然后进入主循环等待中断发生。主循环中完成与上位机的实时通讯交互（查询接收上位机输入的工作指令），具体流程见图5所示。

图5 DSP主循环模块流程图

增量编码器，每次一上电，控制器不知道此时的转子位置，因此，每次重新上电，程序会先进入lsw=0的条件语句：

//------------转子定位模式----------------------------

if(lsw == 0)    //lsw为0时，抱轴，开环的，此时给定指令清0

{

lsw_cnt++;

eQEP1.ElecTheta = 0;         //电角度为0

EQep1Regs.QEPCTL.bit.SWI=1;  //转子定位过程编码器将转动，在定位结束后对eQEP模块重新初始化

MotorCtrl();

if(lsw_cnt > 3500) //抱轴时间到了，就切换lsw=1，进入控制模式

{

lsw_cnt = 0;

lsw = 1;

// CalibrateFlag = 1;  //校准电机零位时释放，正常工作时屏蔽此句。

}

} 

在lsw=0的条件下，程序流程为：拖动电机（ud给定一个安全值，uq=0，反Park角度设置为0），把电机的d轴拉到和电机A相对齐。这个过程持续3500*125us=437.5ms，然后程序会自动切换到lsw=1的条件，保证了编码器从“零”开始进行增量计数，就获得了准确的转子位置角。

完成这个过程后，程序的执行流程则见图6所示。

图6  lsw=1时软件执行流程图

3.2 PWM初始化及TZ保护模块初始化

3.2.1功能描述

矢量控制中，一般需要六路（3组）PWM输出，配置为两两互补带死区的导通形式。

void InitEPWM(void)

{

EALLOW;

SysCtrlRegs.PCLKCR0.bit.TBCLKSYNC = 0; //所有ePWM的TBCLK信号停止

EDIS;

InitEPwm1();

InitEPwm2();

InitEPwm3();

EALLOW;

SysCtrlRegs.PCLKCR0.bit.TBCLKSYNC = 1; //所有ePWM模块的时钟都开始于TBCLK的第一个上升沿

EDIS;

}

以上函数完成ePWM模块的配置：PWM初始化，配置PWM频率、死区，载波频率8kHz，死区时间为2us，对PWM1启动125us中断以及ePWM模块的错误联防保护功能。

3.2.2流程逻辑

TBCLKSYNC位可以用来同步所有使能的ePWM模块的基准时钟，在配置ePWM模块的过程中，遵循以下步骤：

（1）使能各个ePWM模块的时钟；

（2）将TBCLKSYNC清零，从而停止所有ePWM模块的时钟；

（3）对ePWM模块进行配置；

（4）将TBCLKSYNC置位。

ePWM模块一共有7个子模块，分别为：时间基准子模块（TB）、比较功能子模块（CC）、动作限定子模块（AQ）、死区产生子模块（DB）、斩波控制子模块（PC）、故障捕获子模块（TZ）、事件触发子模块（ET）。各子模块的主要功能如下：

a．时间基准（TB）

设定基准时钟TBCLK与时钟SYSCLKOUT之间的关系；

设定PWM时间基准计数器TBCLK的频率和周期；

设定时间基准计数器的工作模式：增计数、减计数、增减计数；

设定与其他ePWM模块之间的相位关系；

通过软件或者硬件方式同步所有ePWM模块的时间基准计数器，并设定同步后计数器的方向（增计数或者减计数）；

设定时间基准计数器在仿真器挂起时的工作方式；

指定ePWM的同步输出信号的信号源：同步输入信号、时间计数器归零、时间计数器等于比较器B（CMPB）、不产生同步信号。

b．比较功能（CC）

指定EPWMxA和EPWMxB的占空比；

指定EPWMxA和EPWMxB输出脉冲发生状态翻转的时间。

c．动作限定（AQ）

无反应；

EPWMxA和/或EPWMxB得输出切换到高电平；

EPWMxA和/或EPWMxB得输出切换到低电平；

EPWMxA和/或EPWMxB得输出进行状态翻转。

d．死区产生（DB）

控制上下两个互补脉冲之间的死区时间；

设定上升沿延时时间；

设定下降沿延时时间；

不做处理。

e．斩波控制（PC）

产生斩波频率；

设定脉冲序列中第一个脉冲的宽度；

设定第二个及其以后脉冲的脉冲宽度；

不做处理。

f．故障捕获（TZ）

配置ePWM模块响应一个、全部或者不响应外部故障触发信号；

设定当外部故障触发信号出现时，强制EPWMxA和/或EPWMxB为高电平、低电平、高阻态、不做反应；

设定ePWM对外部故障触发信号的响应频率：单次响应，周期性响应；

使能外部故障触发信号产生中断；

不做处理。

g．事件触发（ET）

使能ePWM模块的中断功能；

使能ePWM模块产生ADC启动信号；

设定触发事件触发中断或ADC启动信号的频率：每次都触发、2次才触发、3次才触发；

挂起、置位或清除事件标志位。

在配置ePWM模块时，按照图7所示流程进行。 

 图7 EPWM模块

图6中，虚线包围的模块，可以根据实际需求，选择使用或者让PWM直接通过该模块。事件触发子模块用来处理事件基准计数器、比较功能子模块产生的时间，从而向CPU发出中断请求或者产生ADC启动信号SOCA或SOCB。

3.2.3配置说明

这里注意：配置PWM时，需要注意硬件上是否对PWM电平进行了翻转，高电平管子开通时采用“AHC”的死区方案，低电平管子开通时采用“ALC”的死区配置方案。

下面以一个例子（注意：例子和源代码配置的不一样，原理相同的）对上述内容进行说明，从程序解读，到配置，到波形占空比计算，到实验，供理解上述注意事项。

以ePWM1为例，程序如下：

EALLOW;

  EPwm1Regs.TBPRD = PWM_PeriodMax;              //9375

  EPwm1Regs.TBPHS.half.TBPHS = 0;                 //相位寄存器清0

  EPwm1Regs.TBCTR = 0;                            //计数器清0

  EPwm1Regs.TBCTL.bit.CTRMODE = TB_COUNT_UPDOWN;  //增减计数

  EPwm1Regs.TBCTL.bit.PHSEN = TB_DISABLE;    //Master Mode,禁止相位装载功能

  EPwm1Regs.TBCTL.bit.PRDLD = TB_SHADOW;  //CTR=0时将映射寄存器中的值装入当前寄存器

  EPwm1Regs.TBCTL.bit.SYNCOSEL = TB_CTR_ZERO; //CTR=0时发出同步信号

  EPwm1Regs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV = TB_DIV1;  //1分频

  EPwm1Regs.TBCTL.bit.CLKDIV = TB_DIV1;     //1分频

//CC

  EPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADAMODE = CC_CTR_ZERO;  //CTR=0时将映射寄存器中的值装入当前寄存器

  EPwm1Regs.CMPCTL.bit.LOADBMODE = CC_CTR_ZERO;  //CTR=0时将映射寄存器中的值装入当前寄存器

  EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA = PWM_HalfPerMax;  //50%;

  EPwm1Regs.CMPB = PWM_HalfPerMax;              //50%;

//AQ

  EPwm1Regs.AQCSFRC.bit.CSFA = AQ_NO_ACTION; //软件强制时，0：无动作，1：强制为低；2：强制为高；3：禁止强制，无动作。

  EPwm1Regs.AQCSFRC.bit.CSFB = AQ_NO_ACTION; //软件强制时，0：无动作，1：强制为低；2：强制为高；3：禁止强制，无动作。

  EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAU = AQ_CLEAR;

  EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAD = AQ_SET;

  EPwm1Regs.AQCTLB.bit.CBU = AQ_CLEAR;

  EPwm1Regs.AQCTLB.bit.CBD = AQ_SET;

//DB

  EPwm1Regs.DBCTL.bit.OUT_MODE = DB_FULL_ENABLE; //使能上升沿和下降沿的延时信号

  EPwm1Regs.DBCTL.bit.POLSEL = DB_ACTV_HIC;// AHC：EPWM1B反转极性。即高电平有效，互补输出   

EPwm1Regs.DBCTL.bit.IN_MODE = DBB_ALL; //EPWM1B作为上升沿及下降沿延时的信号源。

      EPwm1Regs.DBFED =  PWM_Deadband;

      EPwm1Regs.DBRED =  PWM_Deadband;              //2us=2*150*1/150M

//PC

  EPwm1Regs.PCCTL.bit.CHPEN = CHP_DISABLE;      //禁止PWM斩波控制

ePWM2和ePWM3的配置相似。注意：ePWM1为主模块，发出同步信号，ePWM2和ePWM3为从模块，接收同步信号，从而实现3个逆变桥的同步控制。

程序由ePWM1模块产生中断信号，故它还需要如下配置：

  EPwm1Regs.ETSEL.bit.INTEN = 1; //使能

  EPwm1Regs.ETSEL.bit.INTSEL = ET_CTR_ZERO; //TBCTR=0时产生EPWMx_INT中断

  EPwm1Regs.ETPS.bit.INTPRD = ET_1ST;     //每发生1次事件，产生中断信号EPWMx_INT

  EPwm1Regs.ETCLR.bit.INT = 1;            // Enable more interrupts

值得注意的是,本程序的配置方法是Epwm1B的波形来自ePWM1A的反转，并加入死区时间，我们给EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA中装入值，产生ePWM1A波形(其实不用配置1B)，然后通过死区模块，就产生了对称互补带死区的两路PWM波。死区采用AHC方式，即EPWM1b反转极性。高电平有效，互补输出。具体波形如图8所示：

图8  带死区的对称互补PWM波形产生原理

注意：该方式适用于低电平有效的驱动芯片。配好完成，主要保证比较值CMPA增大的时候，EPWM1A的占空比应该是增大的。

增减计数模式下，可以根据自己系统的中断周期和CPU主频计算出寄存器TBPRD中应该装入的值。

EPwm1Regs.TBPRD=9375; //150000k/9375/2=8k

配置好ePWM模块后，应该对其进行验证，确保配置的正确无误。

我们直接给3相桥臂进行占空比赋值：

Svpwmdq.Ta = 0.5;

Svpwmdq.Tb = -0.2;

Svpwmdq.Tc =  0;

即给ePWM模块的比较寄存器CMPA中设定值为：

EPwm1Regs. CMPA.half.CMPA = (int)(PWM_PERIOD_DEFAULT*(0.5 + 1)*0.5)=9375*75%.

EPwm2Regs. CMPA.half.CMPA =3750(40%)；

EPwm3Regs. CMPA.half.CMPA =4688(50%)；

此时不考虑死区，只考虑对称互补，6路PWM的占空比应该为：

表3  PWM的占空比

程序中通过死区模块，采用ALC：EPWMA反转极性，即低电平有效，互补输出的方式（该方式用于低电平有效的驱动芯片），产生了带死区的互补PWM。

死区占空比为：150/9375=1.6%

因此最终的6路PWM占空比应该为：

表4  PWM的占空比

将程序烧录到硬件中，利用示波器观察波形分别如图9-图14所示： 

图9  EPWM1A波形

图10  EPWM1B波形

图11  EPWM2A波形

图12  EPWM2B波形

图13  EPWM3A波形

图14  EPWM3B波形

可见，实验和理论分析相符，配置的波形正确。

3.3 串口通信模块

3.3.1功能描述

串口主要完成和上位机的通信，接收上位机的控制指令，并将一些需要监视的变量回传给上位机。

本程序中设置波特率为460800pbs，8位数据位，1位停止位；无奇偶校验，全双工传送，设置RX FIFO中断深度1，TX FIFO中断深度0。

SCI内部串行时钟信号由低速外设时钟信号LSPCLK及波特率选择寄存器共同决定。BRR为16为波特率设定值，其高8位装入SCIHBAUD中，低8位装入SCILBAUD中，即可配制出不同的波特率。

若BBR=0， 

若1≤BRR≤65535，

因此，

3.3.2流程逻辑

这里对串口通信协议进行分析：

上位机给DSP发送9个字节，DSP给上位机回传14个字节的数据。这里仅分析烧录在DSP中的通信部分的代码，上位机中的通信代码原理和这个一样。

（1）先收上位机发来的数据（9个字节）

如果帧头是AA或者BB或者55，则接收数据。

RecData_ctrl_tmp[0]，放置帧头；

RecData_ctrl_tmp[1]~ [7]，放置数据；

RecData_ctrl_tmp[8]，放置校验和；

（2）数据拼接

Rec_mode.Head = RecData_ctrl_tmp[0]，放置帧头

如果帧头是AA、BB：工作模式

Rec_mode.Data0=RecData_ctrl_tmp[1]、[2]、[3]; //数据（暂未用）

Rec_mode.Data1=RecData_ctrl_tmp[4]、[5]、[6];  //数据

temp = (int32)(([4]*65536) + ([5]*256) + [6]); //这是拼接过程

Rec_mode.Data1 = temp*0.01-10000;   //数据处理下，原因见下文分析

Rec_mode.CmdMode = RecData_ctrl_tmp[7];  //[7]是工作模式

如果帧头是55：参数配置模式

Rec_mode.FrameCnt = RecData_ctrl_tmp[2];  //帧计数

Rec_mode.ParaSet  = RecData_ctrl_tmp[3];  //指令

Rec_mode.CmdMode  = 0x04;    //参数配置时应停机

根据Rec_mode.ParaSet对不同的参数进行调整。

（3）解析上位机指令

根据Rec_mode.CmdMode选择执行不同的流程。

0停机,1电流环,2速度环,3位置环,4参数配置,并将模式回传给上位机Snd_mode.CmdModeFdb。

Rec_mode.Data1为上位机发来的具体指令值。

（4）准备好要回传的数据

Snd_mode.Data0,Data1,Data2,Data3,Data4。

可以将电机运行过程中需要监测的数据赋给Data0，Data1，Data2，Data3，Data4，就能将数据传送给上位机，并用上位机保存下来，以便后续分析数据，处理问题，保存的数据利用Matlab画图分析特别方便，教程中给出了画图的M文件了。

这里一个有符号的数据占用了2个字节，可表示的数据范围为-32768~32768，为了能表示小数点后2位，故回传时将数据*100处理了，因此要回传的数据的大小范围在-32.768~32.768。

//32位系统，short为2个字节。因此，Snd_mode.Data0只能是-327.68~326.68，小数点后两位。

//如果*10，则Snd_mode.Data0只能是-3276.8~3276.8，小数点后1位。

//如果*1，则Snd_mode.Data0只能是-32768~32668，只能是整数。

ftemp1=(short)(Snd_mode.Data0 *100.0);

SndData_ctrl_tmp[3]=(ftemp1>>8)&0x00FF;  //高8位放在[3]

SndData_ctrl_tmp[4]=ftemp1&0xFF;

（5）数据处理

如果收到的帧头是AA或BB：

SndData_ctrl_tmp[0]=0xCC;

SndData_ctrl_tmp[1] = Snd_mode.CmdModeFdb;  //工作模式回传

SndData_ctrl_tmp[2] = Snd_mode.FaultStatus; //故障模式回传

ftemp1=(short)(Snd_mode.Data0 *100.0); SndData_ctrl_tmp[3]=(ftemp1>>8)&0x00FF;  //高8位放在[3]

SndData_ctrl_tmp[4]=ftemp1&0xFF;

[5\6]放Data1，[7\8]放Data2，[9\10]放Data3，[11\12] 放Data4。

SndData_ctrl_tmp[13]放数据[1]~[12]的校验和。

如果收到的帧头是55：

SndData_ctrl_tmp[0] = 0x55;

[1]~ [9]放PI参数 

SndData_ctrl_tmp[10] = Snd_mode.FaultStatus;故障码

SndData_ctrl_tmp[11] = Rec_mode.FrameCnt;  调参次数

SndData_ctrl_tmp[12] = Snd_mode.CmdModeFdb; //工作模式回传

SndData_ctrl_tmp[13]放数据[1]~[12]的校验和。

（6）回传数据

每1ms，向上位机回传SndData_ctrl_tmp[1]~[14]。

程序中设计的标志位，比如Rec_mode.flag_New、Snd_mode.flag_New等，是为了让数据传送有条不紊的进行，即以下几个流程按顺序执行。

    scic_ctrl_RecData();    //从测控串口接收数据

    RecData_Ctrl_Update();  //接收数据更新

    Message_Ctrl_Decode();  //数据解码

    Message_Ctrl_Encode();  //要发送的数据及回传数据编码

SndData_Ctrl_Update();  //发送数据更新

以上即为DSP程序中的通信部分，上位机中的代码和这个模式一模一样，学习时只需要掌握这个原理，就可以很方便的将代码移植到自己的程序中，实现电机运行过程数据的监控、分析，这对学习很有帮助。

3.4 片内AD采集处理模块

3.4.1功能描述

最基本的FOC只需要两相电流即可，为了硬件保护等，我们可能还要采集母线电压、电流、温度等信号。并对采样值进行滤波数据处理。

ADC模块具有多个分频器，以产生任何需要的ADC操作时钟，图15为ADC的时钟链结构。

图15 ADC时钟链结构图

3.4.2流程逻辑

片内AD一共采集了以下物理量：

AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV01 = 1; // A1-> Phase A Current

AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV02 = 9; // B1-> Phase B Current

AdcRegs.ADCCHSELSEQ1.bit.CONV03 = 3; // A3-> Phase C Current

AdcRegs.ADCCHSELSEQ2.bit.CONV04 = 15; // B7-> Phase A Voltage

AdcRegs.ADCCHSELSEQ2.bit.CONV05 = 14; // B6-> Phase B Voltage

AdcRegs.ADCCHSELSEQ2.bit.CONV06 = 12; // B4-> Phase C Voltage

AdcRegs.ADCCHSELSEQ2.bit.CONV07 = 7; // A7-> DC Bus  Voltage

CONV01]~CONV07是要转换的顺序，后面的数字代含义为：0~7代表片内F28335芯片的ADCINA0~A7，8~15代表B0~B7。这个程序所使用的硬件部分，把电机的A相电流接在了DSP芯片的ADCINA1引脚，B相电流接在了DSP芯片的ADCINB1引脚，以此类推。

在主中断中，对采集的量进行处理。

三相电流处理程序为：

//**********************************************************************

/*

  @ Description: 电机三相电流采样

  @ Param

  @ Return

*/

//**********************************************************************

void GetIPhase()

{

IPhase.IaTemp = (AdcRegs.ADCRESULT1>>4)*0.00024414;   //iA

IPhase.IbTemp = (AdcRegs.ADCRESULT2>>4)*0.00024414;   //iB

IPhase.IcTemp = (AdcRegs.ADCRESULT3>>4)*0.00024414;   //iC

    if(MultCtrl.mult_mode == POWEROFF)

    {

        IPhase.IaOffset = IPhase.IaOffset*CURR_K1 + IPhase.IaTemp*CURR_K2;  //iA偏置电流

        IPhase.IbOffset = IPhase.IbOffset*CURR_K1 + IPhase.IbTemp*CURR_K2;  //iB偏置电流

        IPhase.IcOffset = IPhase.IcOffset*CURR_K1 + IPhase.IcTemp*CURR_K2;  //iC偏置电流

    }

IPhase.IaNew = (IPhase.IaNew*CURR_K1 + IPhase.IaTemp*CURR_K2);

IPhase.IbNew = (IPhase.IbNew*CURR_K1 + IPhase.IbTemp*CURR_K2);

IPhase.IcNew = (IPhase.IcNew*CURR_K1 + IPhase.IcTemp*CURR_K2);

IPhase.Ia = (IPhase.IaNew-IPhase.IaOffset)*2*0.909; //得到iA

IPhase.Ic = (IPhase.IcNew-IPhase.IcOffset)*2*0.909; //得到iC

    IPhase.Ib = 0 - IPhase.Ia - IPhase.Ic;     //得到iB

}

最终得到电机工作时的三相电流Ia、Ib、Ic，用于后续的Clark变换。

AD采样结果寄存器是12位的，即AdcMirror.ADCRESULT1范围为0-4095，相当于有4096个数字。

2^12=4096，给采样结果除以4096，也就是乘以0.00024414（对于整数，右移12位，也相当于除以4096），就把（0-4095）标幺为了0~1。

对于电机的电流是有正有负的，于是电流采样硬件电路设计的时候，理论上，会让电机电流为0时，调理电路输出的那个电压为AD量程的中位，系统上电后，电机未运行时，即在MultCtrl.mult_mode = POWEROFF时采集零偏电流并滤波，于是，电机没有电流时，采集的offsetA会得到0.5。

然后， IPhase.IaNew-IPhase.IaOffset，将(0-1)变换到(-0.5~0.5)；然后乘以2，变换成(-1~1)。

0.909是与280xx的芯片进行统一，因为那些芯片是0~3.3V的采样范围，而F28335的AD采样范围为0-3V。

标幺化是使不同的产品系列，不同的控制芯片使用同一套程序的必要手段，当如果你只想研究单个平台，不标幺也是可以的，只要在平台转移的时候会很费劲。

这里注意：AD采样的寄存器AdcMirror和AdcRegs差别是，AdcRegs不支持DMA访问，而AdcMirror支持。

母线电压的处理程序为：

//**********************************************************************

/*

  @ Description: 母线电压采集

  @ Param

  @ Return

*/

//**********************************************************************

void GetVbus()

{

Volt.Vbus=((AdcRegs.ADCRESULT7>>4)*0.00024414)*0.909*74.53;  //AD获取直流母线电压

}

原理一样的。

表5 片内AD采集的变量

1. 1. 中断处理模块

3.5.1功能描述

EPWM1产生的主中断，每次事件触发1次中断，因此中断触发周期为125us，该模块执行时间不能超过125us的80%即100us，因为还要留时间去执行非中断中的任务。

该模块完成状态机机制下各子函数定时计数器时间分配任务（根据上位机指令，选择要执行的流程）。

3.5.2流程逻辑

中断服务程序流程图见图16所示，中断服务程序中主要完成（故障保护不分析）：

（a）获取转子位置角度（每120us）；

（b）获取电机三相电流（每120us）；

（c）通过分频获取其他周期定时；

（d）每120us执行电流闭环控制；

（e）每500us执行速度闭环控制（如果被选择）；

（f）每1ms执行位置闭环控制（如果被选择）；

其中电流闭环、速度电流双闭环、位置速度电流3闭环执行流程分别如图16.1、图16.2、图16.3所示。

图16 中断服务程序流程图

图16.1 电流环子程序流程图

图16.2 速度环子程序流程图

图16.3 位置闭环子程序

其中三个环中使用的MotorCtrl()流程如图16.4所示。

图16.4  子程序

MotorCtrl函数中，对变换使用的转子位置角进行了判断，目的是，在开环拉电机时，直接使用给定的theta = 0.0（调试时，也可以改变theta值，观察电机转向）将电机拉到指定的位置。正常工作时，再使用编码器计算得到的eQEP1.ElecTheta。

同理，下面的这两段代码也是为了开环拉电机和校准编码器零位使用的，正常工作时，程序不会执行这两段代码。

if(lsw==0)

{

IparkU.Ds = 0.15;                    //d轴给定安全电压

IparkU.Qs = 0.0;                     //q轴给定电压为0

}

//校准零偏

if(CalibrateFlag==1)

{

IparkU.Ds = 0.0;                    //d轴给定安全电压

IparkU.Qs = 0.0;                    //q轴给定电压为0

}

定时计数器配置功能：使用EPWM1产生的主中断周期作为时间基准，使用TimerCtrl结构体定义的变量TimerCnt自加，得到125us到500ms不同的定时计数器，当TimerCnt变量累加到所需定时计数器的预设值时，设置时间标识位变量置1，执行相应的功能函数，函数执行完成后该变量清零。

软件定时器功能见表6。

表6 定时器功能

1. 1. 转子位置角获取模块

3.6.1功能描述

电机用的是增量式正交编码器，因此本程序采用的EQEP模块来采集电机的转子位置角，该模块就是一个片内外设的配置应用问题，没有技术上的难度。

3.6.2流程逻辑

（1）EQEP模块的初始化配置

void InitEqep1()

{

EQep1Regs.QUPRD = 1500000;// Unit Timer for 100Hz at 150 MHz SYSCLKOUT

EQep1Regs.QDECCTL.bit.QSRC = 00; // 00:正交计数，01：方向计数，10：增计数，11：减计数

EQep1Regs.QDECCTL.bit.XCR=0;// 0:上升沿和下降沿都计数，1:上升沿计数

EQep1Regs.QEPCTL.bit.FREE_SOFT=2;  // 仿真挂起对其无影响

EQep1Regs.QEPCTL.bit.PCRM = 00;// 00：索引事件发生时复位，01：计数最大时复位 // 10：第一次索引事件时复位，11：单位时间输出时间时复位

EQep1Regs.QEPCTL.bit.IEI=0x10; // 10：在QEPI上升沿初始化位置计数器，11：在下降沿，0x：无动作

EQep1Regs.QEPCTL.bit.IEL=0x01; // 01：在QEPI上升沿将QPOSCNT的值锁存到QPOSILAT中，10：下降沿，11：软件发起一次事件

EQep1Regs.QEPCTL.bit.QPEN=1; // 使能QEP位置计数器

EQep1Regs.QEPCTL.bit.QCLM=1; // 0:在CPU读取位置计数器的值时锁存，1：定时器基准单元超时事件时锁存

EQep1Regs.QEPCTL.bit.UTE=1; // 使能eQEP定时器基准单元

EQep1Regs.QPOSCTL.all=0x0000;       // eQEP位置比较单元寄存器

EQep1Regs.QCAPCTL.bit.UPPS = 5;    // 单元位置事件预分频，UPEVNT=QCLK/(2的5次方)

EQep1Regs.QCAPCTL.bit.CCPS = 7; // 捕获单元定时器时钟预分频，CAPCLK=SYSCLKOUT/(2的7次方)

EQep1Regs.QCAPCTL.bit.CEN = 1; // 捕获单元使能

EQep1Regs.QPOSMAX = eQEP1.Encoder_N;   // 码盘一周脉冲数的4倍(根据倍频的倍数而定，这里用4倍频)

InitEqep1Gpio();

}

（2）转子位置角的获取

void eQEP1_pos_get()

{

   //Check the rotational direction   QEPSTS为QEP的状态寄存器

eQEP1.DirectionQep = EQep1Regs.QEPSTS.bit.QDF; //正交方向标志

   //Check the position counter for EQep1   QPOSCNT为QEP的位置计数器，32位，根据方向增减。

   //根据编码器零位和电机转子零位的角度偏差，对位置计数器的值进行补偿

   eQEP1.RawTheta = EQep1Regs.QPOSCNT + eQEP1.CalibrateAngle;

   //RawTheta为电机实际角度，用码盘计数值表示，范围0-4000。

   //RawTheta只能在(0-QPOSMAX)之间，超过了则进行处理。

   if(eQEP1.RawTheta < 0)

   {

   eQEP1.RawTheta = eQEP1.RawTheta - EQep1Regs.QPOSMAX;

   }

   else if(eQEP1.RawTheta > EQep1Regs.QPOSMAX)

   {

   eQEP1.RawTheta = eQEP1.RawTheta - EQep1Regs.QPOSMAX;

   }

   //Compute the mechanical angle

   eQEP1.MechTheta = eQEP1.Mech_Scaler * eQEP1.RawTheta; //码盘计数值,归一化处理为0-1

   //Compute the electrical angle   floor（x）返回不大于X的最大整数.

   //以码盘归一化读数形式表示的电机的电角度0-1

eQEP1.RawElecTheta = (eQEP1.PolePairs * eQEP1.MechTheta)-floor(eQEP1.PolePairs * eQEP1.MechTheta);

   // Check an index occurrence    //索引事件锁存中断发生了

   if (EQep1Regs.QFLG.bit.IEL == 1)

   {

   eQEP1.Index_sync_flag = 0x00F0;    //输出标志位

   eQEP1.QepCountIndex = EQep1Regs.QPOSILAT;

       EQep1Regs.QCLR.bit.IEL=1;  //Clear interrupt flag 清除中断标志

   }

//得到-pi~+pi形式的转子位置角

   eQEP1.ElecTheta = eQEP1.RawElecTheta * PI2;

   if(eQEP1.ElecTheta > PI)

   {

   eQEP1.ElecTheta -= PI2;

   }

}

看以上程序过程中，注意下，获取的转子位置角度是以哪种形式表示的，程序最后将电角度转化成了-pi~+pi。

（3）转速的计算

采用正交编码器的转速解算，有M法测速和T法测速，也有M/T法测速。TI官方对此有很完整的注释了，这里不再赘述。

不懂的同学，可以百度，也可以参看《深入理解无刷直流电机矢量控制技术》这本书的63-68页。

我这里粘贴下具体内容。

本程序包含了M法测速和T法测速，使用的是M法测速。

void eQEP1_speed_get(EQEP_POS_SPEED_GET *pV)

{

   //M法，适用于高速，固定时间读位置变化

   float tmp1;

//   unsigned long t2_t1;

   if(EQep1Regs.QFLG.bit.UTO==1)  //If unit timeout 单位时间事件中断发生

   {

      pV->Position_k = 1.0 * EQep1Regs.QPOSLAT; //当索引事件发生时，位置计数器中的值会加载到QPOSLAT中

      if(pV->DirectionQep == 0)   // POSCNT is counting down  减计数

      {

          if(pV->Position_k > pV->Position_k_1)

  {

           tmp1 = -(pV->Encoder_N - (pV->Position_k - pV->Position_k_1));

  }

          else

  {

           tmp1 = pV->Position_k - pV->Position_k_1;

  }// x2-x1 should be negative 减计数时，差值应该是负值

      }

      else if(pV->DirectionQep==1) // POSCNT is counting up  增计数

  {

      if(pV->Position_k < pV->Position_k_1)

  {

       tmp1 = pV->Encoder_N - (pV->Position_k_1 - pV->Position_k);

  }

          else

  {

           tmp1 = pV->Position_k - pV->Position_k_1;

  }// x2-x1 should be positive  增计数时，差值应该是正值

  }

  if(tmp1 > pV->Encoder_N * 1.0)

  {

  pV->Speed_Mr_Rpm = pV->BaseRpm;

  }

      else if(tmp1 < pV->Encoder_N * (-1.0))

  {

       pV->Speed_Mr_Rpm = -pV->BaseRpm;

  }

      else

  {

       pV->Speed_Mr_Rpm = tmp1 * pV->Speed_Mr_Rpm_Scaler;  //得到实际转速rpm

  }

  pV->Speed_Mr_Rpm = 0.25 * pV->Speed_Mr_Rpm_Last + 0.75 * pV->Speed_Mr_Rpm; //转速滤波

      pV->Speed_Mr = pV->Speed_Mr_Rpm / pV->BaseRpm;

      pV->Speed_Mr_Rpm_Last = pV->Speed_Mr_Rpm;  //保存当前转速，用于下一个周期的计算

      pV->Position_k_1 = pV->Position_k;         //更新码盘值

      EQep1Regs.QCLR.bit.UTO = 1; // Clear interrupt flag

}

方法和TI官方的一样，我是参考了符晓的代码。

解释如下：

1. 1. 其他说明

#if FLASH

MemCopy(&RamfuncsLoadStart, &RamfuncsLoadEnd, &RamfuncsRunStart);

InitFlash();  // Call the flash wrapper init function

#endif

这几句是将FLASH中的程序COPY到RAM中运行，通常的目的是加快程序的运行速度，通常有两种情况需要这样去操作：
1、程序中对基要求比较高的函数，如中断；
2、程序需要对FLASH进行操作，这时就要把程序先复制到RAM中运行然后才能对FLASH操作。
RamfuncsLoadStart、RamfuncsLoadEnd、RamfuncsRunStart这三个变量是在CMD文件中创建的，创建方式如下：
            LOAD_START(RamfuncsLoadStart),
            LOAD_END(RamfuncsLoadEnd),
            RUN_START(RamfuncsRunStart),
分别表示了装载函数的首地址，装载函数的结束地址和装载函数的运行地址；
执行完MemCopy(&RamfuncsLoadStart, &RamfuncsLoadEnd, &RamfuncsRunStart);后，便将FLASH中相关的程序COPY到了RAM中，之后的程序运行时，只要调用FLASH中RamfuncsLoadStart地址开始的相关函数，系统都会自动地指向RAM中相应的函数入口地址运行。

4、附录

为方便不同控制板开发程序，梳理程序IO接口以及配置表7所示。