电机驱动开发学习19. 霍尔 BLDC 三段式 FOC 启动算法

一、为什么需要三段式 FOC 启动

lesson17/18 已实现速度外环 + DQ 电流内环 + SVPWM，电角度 θ 来自霍尔 6 态 + TIM5 扇区内插值。但在转子静止或极低速时，存在两个根本矛盾：

lesson16 已说明：不是 PI 公式错，而是零速时霍尔给不了连续 θ。
本章在 lesson18 工程基础上，增加工业界常用的三段式启动，解决「从静止到稳定闭环」的衔接。
硬件输出：Align/Drag 与 Run 均走六步桥单占空比（接口 2）；SVPWM 仅在 Run 中作 FreeMASTER 扇区监视，不驱动三相 CCR。

1.1 三段式启动是什么

借鉴无感 BLDC「预定位 → 外同步加速 → 自同步切换」思路，结合霍尔 FOC特点，本章划分为：

说明：Align/Drag 在野火六步桥上刻意不用 InvPark/SVPWM（与真实导通相不匹配）；Run 阶段才是完整 FOC 双环。SVPWM 模块仍参与扇区监视（FreeMASTER），硬件输出走 lesson17 的 |V| 映射——与 lesson11 同级 PWM 利用率，

1.2 与六步「三段启动」的区别

野火官方六步换相例程也有「定位 → 升频换相 → 霍尔闭环」，本章在此基础上叠加FOC 运行阶段：

• Align/Drag：与 lesson4 相同六步开环（定位 duty + 拖转换相序），但维护开环 θ供监视与交接；
• Drag期间motor_set_openloop_comm()强制换相步，霍尔已跟上时可提前对齐；
• Run：θ 切回霍尔插值，启用速度→Iq→电流 PI→InvPark双环，输出|V|→单占空比；
• 切换条件（bsp_foc_boot.c，拖转满FOC_BOOT_DRAG_MIN_MS=600后，满足任一）：
  • 霍尔边沿 ≥2且 RPM ∈ [60, target+120]（下限至少到 200）；
  • 或强拖步数 ≥18且边沿 ≥2且 RPM 同上。

二、实验简介

2.1 本章目标

在 lesson18 工程基础上新增bsp_foc_boot.c三段式启动状态机：

• w 1/s 1时自动执行 Align → Drag → Run，无需手动开环v命令；
• FreeMASTER 监视g_fm_boot_stage（0 idle / 1 align / 2 drag / 3 run / 4 fail）；
• 拖转失败（10 s超时）触发 fault=3 并关断；
• 运行阶段保留 lesson17速度环 + DQ 电流环；六步板上 Run 输出为 |V|→单占空比（lesson18 SVPWM 作扇区监视）。

2.2 硬件

与 lesson4~18 相同：野火骄阳 F407+无刷驱动板+霍尔 BLDC，「无刷电机驱动接口2」排线。

三、程序设计

3.1 目录结构（相对 lesson18 新增/变更）

User/ ├── foc/ │ ├── bsp_foc_boot.c/h ★ 三段式启动状态机（本章核心） │ ├── bsp_foc.c/h ★ θ 在 Align/Drag 改读开环角 │ └── bsp_svpwm.c/h （lesson18 沿用，Run 仅监视） ├── pid/ │ └── bsp_pid_app.c/h ★ 启停时触发 foc_boot_request()；Run 用 |V|→duty ├── tim/ │ └── bsp_motor_tim.c/h ★ motor_set_openloop_comm() 强制换相 └── main.c

3.2 状态机流程

阶段 1：定位（Align）

1. 读当前霍尔态，motor_set_openloop_comm(1, hall)强制该步六步换相；
2. 施加固定占空比FOC_BOOT_ALIGN_DUTY=1200（不用 FOC / 不用 Vd）约FOC_BOOT_ALIGN_MS=500ms。

阶段 2：拖转（Drag）

1. 按霍尔正转序1→3→2→6→4→5→1定时换相（速率 4→22 Hz 斜坡）+占空比 1200→4000（每周期 +80）；
2. 若下一霍尔态已到位，则提前同步强制换相步（转子跟上时不再盲拖）；
3. 切换条件见1.2（最短拖转 600 ms）；超时10 s→ fail=3。
4. Run 阶段才启用 FOC 双闭环（Clark/Park → PI → InvPark → |V|→duty）。

阶段 3：运行（Run）

• foc_get_electrical_theta()：Align/Drag 读foc_boot_get_theta()，Run/Idle 恢复霍尔 + TIM5 插值；
• foc_spd_poll：速度环 →g_fm_target_iq；
• dq_curr_poll：电流环 → Vd/Vq → InvPark →dq_apply_vmag_sixstep_output()（六步板）；
• svpwm_calc()仅更新g_fm_svpwm_sector等监视量，不set三相独立 CCR 驱动桥臂。

3.3 关键代码

启动请求（bsp_foc_boot.c）

/** * @brief FOC三段式启动：启动请求触发函数 * @note 当系统收到电机启动指令时调用，进入三段式启动流程第一阶段【转子定位Align】 * 适用：带霍尔传感器BLDC/内置霍尔PMSM，霍尔原始扇区作为初始位置依据 * 三段式启动流程：ALIGN定位 → DRAG开环拖转 → RUN霍尔闭环FOC */voidfoc_boot_request(void){// 1. 实时读取当前霍尔电平，获取霍尔原始扇区编号(0~5 六扇区)hall=motor_hall_read_now();// 2. 将开环换相步长初始化为当前霍尔扇区// 开环拖转阶段会基于该变量持续递增实现强制换相s_openloop_step=hall;// 3. 根据当前霍尔扇区，计算该扇区中心点电角度// 目的：定位阶段向中心点角度施加恒定电压，把转子牢牢吸附到该角度s_theta=foc_boot_hall_center_theta(hall);// 4. 启动状态机切换至【转子对齐阶段 ALIGN】(三段式第1阶段)s_stage=FOC_BOOT_ALIGN;// 5. 配置开环换相模式，参数1：使能开环；hall：初始霍尔扇区基准motor_set_openloop_comm(1U,hall);// 6. 施加对齐占空比，输出恒定矢量电压，执行转子定位// 持续通电一段时间(例500ms)，保证转子机械角度收敛到目标角度foc_boot_apply_duty(FOC_BOOT_ALIGN_DUTY);// ...后续省略：对齐阶段定时计时、超时后自动跳入开环拖转DRAG阶段}

拖转阶段 θ 插值与切换（bsp_foc_boot.c）

/* 扇区中心 + 步内比例，供 foc_get_electrical_theta() 在 Drag 期间读取 */s_theta=foc_boot_hall_center_theta(s_openloop_step);s_theta+=(sub_ratio-0.5f)*(FOC_PI/3.0f);/* 切换：边沿≥2 且 RPM≥60，或强拖步数≥18 且边沿≥2 */if(s_hall_edges>=FOC_BOOT_HANDOVER_EDGES&&rpm>=FOC_BOOT_HANDOVER_RPM)foc_boot_enter_run();

θ 来源切换（bsp_foc.c）

floatfoc_get_electrical_theta(void){if(foc_boot_is_active())/* Align / Drag */returnfoc_boot_get_theta();/* 霍尔 + TIM5 插值 ... */}

开环强制换相（bsp_motor_tim.c）

if(s_openloop_comm)bldcm_commutate(s_openloop_step);elsebldcm_commutate(get_hall_state());

四、调参与串口命令

4.1 串口（与 lesson18 相同，启动自动化）

推荐首次上电流程：

1. 上电等待cal=1（电流零偏完成）
2. t 500→w 1
3. 观察串口：FOC boot start→align done -> drag→FOC boot handover
4. FreeMASTER 看g_fm_boot_stage从 1→2→3

4.2 FreeMASTER 建议通道

4.3 现场整定参数（与bsp_foc_boot.c一致）

README 旧稿中的FOC_BOOT_ALIGN_VD_V/FOC_BOOT_DRAG_IQ_MA/FOC_BOOT_OMEGA_MAX在本工程中不存在（Align/Drag 不走 Vd/Iq FOC）。

常见问题：

• 拖转超时 fail=3：提高FOC_BOOT_DRAG_DUTY_MAX/ 加快FOC_BOOT_DRAG_RATE_*，或略降FOC_BOOT_HANDOVER_RPM
• Run 后转速卡在 ~350、改 t 无效：确认 Run 走的是dq_apply_vmag_sixstep_output（|V|），不是三相 SVPWM 直驱；可t 700再w 1复测
• 仍低于 lesson11：FOC 双环有电流限幅，属正常；可略增FOC_SPD_IQ_FF_PER_RPM或速度环kp
• 转一点就停 / 彻底不转：先s 0再t 600+w 1；查看是否 Stall；交接后4 s内堵转保护放宽
• 定位时反转：检查霍尔线序与MOTOR_FWD方向

五、实验现象

5.1 预期波形

1. Align（~500 ms）：θ 恒定，六步duty=1200，转子轻微锁定；
2. Drag（_0.5数 s）：θ 随换相步进爬升，g_fm_boot_omega随换相频率上升，霍尔边沿计数递增；
3. Run：g_fm_boot_stage=3，RPM 跟踪g_fm_target_rpm，Iq 由电流环调节。

5.2 VOFA+ 三通道

• 速度模式：RPM_SP / RPM_ACT / Iq
• 电流模式：Iq_SP / Iq_ACT / PWM

六、本章小结

至此，野火霍尔 BLDC接口 2上的FOC 双闭环 + 可靠三段启动链路已完整。。