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小知识点五、无刷电机闭环控制(电流)

news 来源：原创 2025/7/2 1:18:47

0 前言

该部分只用于自学使用，作为笔记方便后续自查。
资料参考：http://dengfoc.com

硬件：2208云台电机+MT6701磁编码器

1 电流控制理论

1.1 待解决的问题

简单回顾一下在之前的学习中，我们通过 $U_q$ 和电角度 $\theta$ 来控制电机转子旋转，那电流闭环控制在获取什么？为什么要用电流闭环控制，该控制的意义是什么？
首先要明确的是不管是闭环位置控制还是闭环速度控制，实际上都是通过目标位置或者目标速度计算相应的 $U_q$ ，在根据编码器实时获取电角度计算三相电压，最后根据PWM模拟控制。
其次、直接力矩控制的时候，实际上之前都是电压力矩控制，该控制就是直接输入一个 $U_q$ 的值进行控制。但这样控制实际上面临一个问题，由于电机的力矩没有传感器进行检测，因此电机的力矩实际上是开环的。
那么实际上电流闭环控制就是为了解决这样的问题。

1.2 如何解决

STEP1:
从目标出发，如果我知道此时此刻电机真正的电流 $current\_I$ 并且我有一个目标电流 $target\_I$ ，那么根据前两节课的内容，我们可以通过PI控制，来进行电流闭环控制：
已知：目标电流（ $target\_I$ ）、当前电流( $current\_I$ )、当前误差（ $error=target\_I-current\_I)$ ）、上一时刻误差( $error\_last=target\_I-last\_I)$ )
$U_q=k_p*error+k_i*(sum((error+error\_last)*ts*\frac{1}{2}))$

STEP2:
$target\_I$ 是我们给出的，那么接下来的问题就是 $current\_I$ 如何获取的问题？
假设我们有一个传感器，可以实时获取电机的三相电流值( $I_{A},I_{B},I_{C}$ ).
那么就可以通过克拉克变换求出( $I_{\alpha},I_{\beta}$ )忘记的小伙伴可以去前面的章节自行查看（传送门）
$I_{\alpha}=I_{A}$
$I_{\beta}=\frac{1}{\sqrt{3}}\times (2I_{B}+I_{A})$
再通过帕克变换
$I_{d}=cos(\theta)I_{\alpha}+sin(\theta)I_{\beta}$
$I_{q}=-sin(\theta)I_{\alpha}+cos(\theta)I_{\beta}$
那么现在我们就得到了 $I_q$

2 电流控制代码

1、头部分

#include <Arduino.h> 
#include "InlineCurrent.h"// 宏定义
#define _ADC_VOLTAGE 3.3f            // ADC参考电压（单位：伏特）
#define _ADC_RESOLUTION 4095.0f      // 12位ADC的分辨率（2^12-1=4095）
#define _ADC_CONV ( (_ADC_VOLTAGE) / (_ADC_RESOLUTION) ) // ADC计数值转电压的转换系数
#define NOT_SET -12345.0             // 特殊标记值，用于标识未设置的参数
#define _isset(a) ( (a) != (NOT_SET) ) // 检查参数是否已设置的宏

2、根据电机编号初始化电流检测参数

CurrSense::CurrSense(int Mot_Num)
{if(Mot_Num == 0) // 电机0的配置（三相电流检测）{pinA = 35;     // A相电流检测引脚（ADC1_CH7）pinB = 33;     // B相电流检测引脚（ADC1_CH5）pinC = 32;     // C相电流检测引脚（ADC1_CH4）_shunt_resistor = 0.01;  // 分流电阻值（单位：欧姆）amp_gain  = 50;          // 电流检测运放增益倍数// 计算电压到电流的转换系数：1/(分流电阻*运放增益)volts_to_amps_ratio = 1.0f /_shunt_resistor / amp_gain; // 各相增益系数（符号取决于硬件连接方式）：// - A/B相：负号表示电流方向与检测电路相反// - C相：正号表示同向gain_a = volts_to_amps_ratio * -1;  // A相转换系数（含方向）gain_b = volts_to_amps_ratio * -1;  // B相转换系数（含方向）gain_c = volts_to_amps_ratio;       // C相转换系数}if(Mot_Num == 1) // 电机1的配置（两相电流检测）{pinA = 35;     // A相电流检测引脚pinB = 34;     // B相电流检测引脚（ADC1_CH6）// 注意：未设置pinC，表示使用两相检测_shunt_resistor = 0.01;  amp_gain  = 50;          volts_to_amps_ratio = 1.0f /_shunt_resistor / amp_gain; // 增益系数设置（同电机0）gain_a = volts_to_amps_ratio * -1;gain_b = volts_to_amps_ratio * -1;gain_c = volts_to_amps_ratio;  // 虽未使用但仍设置}
}

3、读取指定引脚的电压值（单位：伏特）（函数：analogRead）

float CurrSense::readADCVoltageInline(const int pinA){uint32_t raw_adc = analogRead(pinA);      // 读取ADC原始值（0-4095）return raw_adc * _ADC_CONV;               // 转换为实际电压值
}

4、初始化引脚

void CurrSense::configureADCInline(const int pinA,const int pinB, const int pinC){pinMode(pinA, INPUT);  // 设置A相为输入pinMode(pinB, INPUT);  // 设置B相为输入if( _isset(pinC) ) pinMode(pinC, INPUT); // 如果C相有效则设置
}

5、校准电流检测偏移量（消除零电流时的电压偏置）

void CurrSense::calibrateOffsets(){const int calibration_rounds = 1000; // 校准采样次数// 初始化偏移量offset_ia = 0;offset_ib = 0;offset_ic = 0;// 多次采样求平均for (int i = 0; i < calibration_rounds; i++) {offset_ia += readADCVoltageInline(pinA); // 累计A相电压offset_ib += readADCVoltageInline(pinB); // 累计B相电压if(_isset(pinC)) offset_ic += readADCVoltageInline(pinC); // 如果C相存在则累计delay(1); // 短暂延迟稳定信号}// 计算平均偏移电压（零电流时的基准电压）offset_ia = offset_ia / calibration_rounds; // A相偏移电压offset_ib = offset_ib / calibration_rounds; // B相偏移电压if(_isset(pinC)) offset_ic = offset_ic / calibration_rounds; // C相偏移电压
}

6、电流检测初始化入口

void CurrSense::init(){configureADCInline(pinA, pinB, pinC); // 配置ADC引脚calibrateOffsets();                   // 执行偏移校准
}

7、获取三相电流值（单位：安培）

void CurrSense::getPhaseCurrents(){// 计算A相电流：(测量电压 - 偏移电压) * 转换系数current_a = (readADCVoltageInline(pinA) - offset_ia) * gain_a;// 计算B相电流current_b = (readADCVoltageInline(pinB) - offset_ib) * gain_b;// C相处理：如果未设置引脚则电流为0，否则正常计算current_c = (!_isset(pinC)) ? 0 : (readADCVoltageInline(pinC) - offset_ic) * gain_c;
}

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1.2 如何解决

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