STC-FOC Lite程序详解-SVPWM查表生成

王***

      本篇文章致力于对STC-FOC Lite的原版代码进行详尽的原理解释，并且提出更改/移植/裁剪建议，方便大家对这个项目进行更加适配自己的个性化更改。

在对SVPWM代码进行理解前，需要先对SVPWM的一些概念进行清楚。首先SVPWM并不是一种算法，只是一种波形的名称。SVPWM在程序输出上大概的是长这样子。

      以上的波形是存在正负的交流波形，实际进行PWM输出的时候，需要将电压抬高到0~VCC的范围内。也就是说，正常没有输出的时候，电机的三相输出也是存在着三路50%占空比的PWM输出。此时电机的输入电流为0，因为三相线同时抬高和降低，并不存在电位差。

      虽然SVPWM本身并不算是一种算法，但是逆帕克变换和逆克拉克变换就是算法了，这两个主要是为了将常量Ud和Uq重新通过电角度转换成电压矢量。从结果来看，就是生成SVPWM波形。

      如果将这些逆变换作为一个函数来看，就是输入了Uq（电机切向力，越大转的越快），Ud（电机侧向力矩，给的大也不会转）（Uq和Ud相互垂直），还有一个电角度，然后就能输出控制电机的三相波形。

      这里因为是开环控制，所以没法闭环Ud。将Ud设置为0，Ud设置为满幅值，即可得到上面的波形。控制Uq的大小，只需要对波形整体做高度上的缩放即可。

讲完了基本原理，接下来讲一下详细的程序：

// 归一化角度到0~编码器最大值范围
int _normalizeDat(long angle_dat)
{
        int result = (int)(angle_dat % (Encode_bit_Max - 1));
        return (result >= 0) ? (result) : (result + (Encode_bit_Max - 1));
}
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首先是角度归一化，将数据缩放到编码器最大值，因为电角度和实际的读取角度之间存在一个比例换算关系（跟极对数和方向有关），所以要防止这个角度溢出。

// 获得原始数据
u16 Read_Angle_Int_Dat(void)
{
    return _normalizeDat((_angle_this_dat * moto_save.dir * moto_save.pp) - moto_save.zero); // 机械绝对值角度转换为电角度
    // Tips：_zero这个是必须存在的，因为如果没有对零点对齐的话，粘磁铁导致的角度误差将导致电机无法正确旋转
}
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      接下来是读取原始的电角度数据，_angle_this_dat就是从磁编码器读到的原始数据，不过，因为极对数的存在，并不能直接使用。需要对原始点角度乘以极对数和方向，并且加上零点数据来进行对齐。

/**
 * 根据编码数据获取SVPWM数值
 *
 * 本函数通过编码数据计算并返回相应的SVPWM数值编码数据被分为四个区间，
 * 每个区间对应一种SVPWM数值的计算方式这种设计是为了压缩存储，以减少内存占用，
 * 不同相位的SVPWM信号生成
 *
 * @param encode_dat 编码数据，这是一个16位的整数，代表某种编码后的数据
 * @return 返回计算出的SVPWM数值，它可以根据输入的编码数据分布在四个不同的区间内
 */
int Get_SVPWM_Num(u16 encode_dat)
{
        int out;
        // 根据编码数据在区间[0, 16383]中的位置，决定使用哪种方式计算SVPWM数值
        switch ((encode_dat % 16384) / 4096)
        {
        case 0:
                // 在第一个区间[0, 4095]内，直接使用编码数据模4096作为索引获取SVPWM数值
                out = SVPWM_List[encode_dat % 4096];
                break;
        case 1:
                // 在第二个区间[4096, 8191]内，使用4095减去编码数据模4096作为索引获取SVPWM数值，并保持正向
                out = SVPWM_List[4095 - (encode_dat % 4096)];
                break;
        case 2:
                // 在第三个区间[8192, 12287]内，直接使用编码数据模4096作为索引获取SVPWM数值，并取负值
                out = -SVPWM_List[encode_dat % 4096];
                break;
        case 3:
                // 在第四个区间[12288, 16383]内，使用4095减去编码数据模4096作为索引获取SVPWM数值，并取负值
                out = -SVPWM_List[4095 - (encode_dat % 4096)];
                break;
        }
        return out;
}
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      接下来的这个就是对于SVPWM表数据的压缩，因为SVPWM的三相信号其实只是存在120°的相位差，本质波形都是一样的。所以只存一相的波形就可以了。

并且，将单个SVPWM波形等分四份后，可以观察到，后面三份都可以通过第一份的垂直镜像和水平镜像得到。所以，上面这个函数就是处理超出1/4区域的波形，使得在正确的区间内进行变换，从而取到一个正确的SVPWM波形。

void setTorque(float Uq, u16 encode_dat)
{
        float ratio = (Uq / voltage_power_supply) * (1.0 / 12.0); // 乘以宏定义方向
        out1 = (int)(Get_SVPWM_Num(encode_dat) * ratio);
        out2 = (int)(Get_SVPWM_Num(encode_dat + 5461) * ratio); // 偏移得到剩余两相波形
        out3 = (int)(Get_SVPWM_Num(encode_dat + 10922) * ratio);
        setPwm(out1, out2, out3);
}
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      接下来就是最终的输出函数了，意外的是不是有些简单？

      因为复杂的计算都通过表简化了，这种方式可以保证一次运算，无限调用。十分适合电机这种每次都要重复计算的场合。

      这个函数里面通过对SVPWM表的偏移实现了完整的三相波形输出，并且表仅仅占用了8K的程序ROM空间（考虑到分辨率和不同极对数适配，所以没有再次压缩，不然占用空间可以进一步缩小到1.2K的ROM大小）

      通过调用setTorque这个函数就可以实现电机的闭环转动了。如果没有接编码器，直接给一个虚拟的自增电角度，电机也是可以转的。