STM32 手搓 FOC：AS5600 磁编码器强拖对齐与电零位标定实测

标签：STM32、STM32F103、FOC、AS5600、磁编码器、SPWM、无刷电机、嵌入式
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这篇只讲一件事：对齐

FOC 的文章我写过几篇，Clark / Park 变换、SVPWM 扇区判断、马鞍波，理论部分那边讲透了：

• 深入浅出死磕 FOC 算法，从理论到实战全攻略
• STM32 纯手写 FOC：空间变换、SVPWM 与相电流采样

这篇一个公式都不重复。只讲一个所有 FOC 教程都会一笔带过、但你不做对电机就绝对不转的步骤：

编码器读到的角度，和电机的电角度零点，怎么对上。

你把 AS5600 磁铁贴到转子上，读回来 0~4095 的数。但这个 0 落在电机的哪一相上？编码器数值增大对应电机正转还是反转？这两个问题不解决，你后面所有的 Park 变换都是在拿错误的角度做运算。

先说清定位：这是一个理解对齐与开环力矩跟随的教学工程，不是带电流环 / 速度环的伺服方案。没有相电流采样，抗不了大扰动。想要完整方案看上面两篇。

硬件与时基

#definePWM_PERIOD1000// TIM1 ARR#defineMOTOR_PP7// 电机极对数，按你的电机改floattarget_voltage=0.4f;// 运行时的开环驱动电压int8_tmotor_direction=1;// 1 正转 / -1 反转，对齐时自动测出

MOTOR_PP必须改成你自己电机的极对数。云台电机常见 7 或 11，写错的表现是：电机能转但转速和你预期差好几倍，或者剧烈抖动。数一下定子槽和磁钢，或者查电机手册。

一、调制方式：这里是 SPWM，不是 SVPWM

先讲清楚，免得和我另一篇混淆。Set_Phase_Voltage()用的是正弦调制（SPWM）：

voidSet_Phase_Voltage(floatangle,floatvoltage){floatU_max=12.0f;// 母线电压floatdc_coefficient=(voltage/U_max);if(dc_coefficient>0.5f)dc_coefficient=0.5f;// 安全限幅uint16_tpwm_a=(uint16_t)((sinf(angle)+1.0f)*0.5f*dc_coefficient*PWM_PERIOD);uint16_tpwm_b=(uint16_t)((sinf(angle+2.094395f)+1.0f)*0.5f*dc_coefficient*PWM_PERIOD);uint16_tpwm_c=(uint16_t)((sinf(angle-2.094395f)+1.0f)*0.5f*dc_coefficient*PWM_PERIOD);TIM1->CCR1=pwm_a;TIM1->CCR2=pwm_b;TIM1->CCR3=pwm_c;}

2.094395就是 2π/3，也就是 120° 相位差。(sin + 1) * 0.5把 [-1, 1] 映射到 [0, 1] 的占空比。

SPWM 比 SVPWM 少榨出约 15% 的母线电压利用率，但它的好处是——一眼就能看懂，没有扇区判断、没有矢量合成。做对齐验证的时候，你要排查的变量越少越好。等对齐这一步跑通了，把这个函数换成 SVPWM 是独立的一步，不影响前面的标定逻辑。

U_max = 12.0f是硬编码的母线电压假设，你的供电不是 12 V 就要改，否则算出来的占空比和实际电压对不上。

那句if (dc_coefficient > 0.5f) dc_coefficient = 0.5f是安全限幅：开环状态下没有电流反馈，占空比给大了电机就是纯粹的堵转发热。

二、强拖对齐：四步测出方向和零位偏置

核心就是这个函数，上电只跑一次：

voidFOC_Align_Sensor(void){// 步骤 A: 强行拉到电角度 0 度Set_Phase_Voltage(0.0f,2.5f);Delay_ms(800);uint16_tstart_raw=AS5600_Read_RawAngle();// 步骤 B: 强行拉到电角度 90 度Set_Phase_Voltage(PI/2.0f,2.5f);Delay_ms(800);uint16_tend_raw=AS5600_Read_RawAngle();// 释放电压Set_Phase_Voltage(0.0f,0.0f);// 步骤 C: 判断方向if(end_raw>start_raw){motor_direction=1;}else{motor_direction=-1;}// 步骤 D: 计算零位偏置floatstart_mech_angle=((float)start_raw/4095.0f)*2.0f*PI;zero_angle_offset=start_mech_angle*MOTOR_PP*motor_direction;}

为什么对齐用 2.5 V，运行只用 0.4 V

这是最容易被忽略、也最关键的一个细节。

对齐阶段需要「强拖」——不管转子当前在哪，都要用足够大的力矩把它硬拽到指定电角度，而且要拽得住、不能被摩擦力和齿槽转矩拖偏。2.5 V 是为了这个。

运行阶段只要维持一点保持力矩，0.4 V 就够。如果运行也给 2.5 V，电机会烫得没法碰。

配套的是那两个Delay_ms(800)：给转子足够时间转过去并且停稳。太短的话转子还在振荡就去读编码器，读到的是振荡中间的某个值，零位偏置直接就错了。

方向判断的原理

从电角度 0° 拉到 90°，转子会跟着转过去。

• 如果编码器读数变大（end_raw > start_raw），说明「电角度增加」对应「编码器读数增加」，两者同向，direction = 1
• 反之说明磁铁贴反了或者三相线序反了，direction = -1

有了这个符号，后面就不用去物理上换线序了，软件里乘个负号就行。

零位偏置的含义

start_raw是「电角度 = 0 时编码器的读数」。把它换算成机械角、乘极对数，就得到了编码器零点和电角度零点之间的固定偏差。

之后每次算电角度，减掉它就对齐了：

elec_angle=mech_angle*MOTOR_PP*motor_direction-zero_angle_offset;

三、1 ms 中断里的四行核心

对齐做完，运行期的逻辑短得出奇：

voidTIM2_IRQHandler(void){if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)!=RESET){// 1. 读机械角encoder_raw=AS5600_Read_RawAngle();mech_angle=((float)encoder_raw/4095.0f)*2.0f*PI;// 2. 换算电角度（用上对齐测出的方向和偏置）elec_angle=mech_angle*MOTOR_PP*motor_direction-zero_angle_offset;// 3. 驱动角 = 当前电角度 + 90°floattarget_driving_angle=elec_angle+(float)motor_direction*(PI/2.0f);// 4. 输出Set_Phase_Voltage(target_driving_angle,target_voltage);TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);}}

第 3 步的 +90° 就是 FOC 的全部精髓：磁场始终超前转子磁极 90° 电角度，此时产生的力矩最大。转子转到哪，驱动磁场就跟到哪，永远保持 90° 领先。

注意+90°也乘了motor_direction——方向反了的话，超前要变成滞后，否则就是负力矩，电机会往反方向死命顶。

这是开环跟随：只保证力矩方向对，不控制大小。没有电流采样，也就没有电流环。手去拧电机能感觉到明显的保持力，但抗不了大扰动，也没法精确定位。

四、主循环刷 OLED 为什么要降到 200 ms

while(1){mech_angle_deg=(uint32_t)((float)encoder_raw*360.0f/4095.0f);OLED_ShowNum(2,5,encoder_raw,4);// Raw：0~4095 原始值uint32_tshow_elec=(uint32_t)((elec_angle/(2.0f*PI))*360.0f)%360;OLED_ShowNum(3,6,show_elec,3);// Elec：电角度OLED_ShowNum(4,6,mech_angle_deg,3);// Phys：物理机械角Delay_ms(200);// 降低刷新频率，防止干扰主 CPU 效率}

OLED 走软件 I²C，刷一次要好几毫秒。而 TIM2 中断每 1 ms 就要来一次，中断优先级又是 0（最高）。

如果主循环拼命刷屏，CPU 大部分时间耗在 I²C 上，中断虽然能抢占，但整体余量被吃光。200 ms 刷一次，人眼完全够看，CPU 也留出了余量。

调试时看这三个数就够了：

• Raw转动电机应该在 0~4095 之间平滑变化，跳变说明磁铁没对准编码器中心或者距离太远
• Elec应该转一圈机械角变化 7 圈（极对数 = 7）
• Phys就是实打实的物理角度

复现与安全

1. Keil 打开Project.uvprojx，芯片STM32F103
2. 先改MOTOR_PP为你电机的极对数，改U_max为你的实际母线电压
3. 确认 AS5600 的 I²C 引脚、三相 PWM 引脚与你的硬件一致
4. 把target_voltage先调到 0.2f 甚至更低，手扶牢电机再上电
5. 上电后 OLED 显示FOC Calibrating，能看到电机被拽两下，然后进入FOC Loop Open!
6. 电机应该有轻微的保持力矩

出问题怎么查

驱动板的使能和电流限制务必接好，开环状态下一旦三相直通，MOS 管几秒就报废。

这个工程的边界

说清楚它不能干什么，比吹它能干什么有用：

• 没有电流环，力矩大小不可控，只能控方向
• 没有速度环 / 位置环，不能做精确定位
• 开环抗扰差，大惯量负载会失步
• SPWM 而非 SVPWM，母线电压利用率低约 15%

它的价值在于：把「对齐」这一步单独拎出来跑通、看得见。OLED 上那三个数会告诉你编码器、电角度、机械角三者的关系。这一步踩实了，再往上加电流环才有意义——不然电流环调不出来你都不知道是环的问题还是角度就是错的。

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