FOC学习与问题

从复刻一块 FOC 板开始：一个模拟小白的笔记

学 FOC 之前，我以为「做出三相正弦」就是把三路电压画成正弦波送进电机。后来对着开源板（AxDrive-L 一类）一页页问下去，才发现：功率级输出的是 PWM 方波，正弦在 电流 和 平均电压 上；算法要的也不是三路模拟正弦，而是电流环里的 Id、Iq。

这篇不写公式推导，只把反复卡住的地方记下来，方便以后自己翻，也给同样从零画板的人当对照。

1. FOC 在干什么

把转子磁场当成一把尺子（d 轴），转矩相关的电流放到和它垂直的 q 轴上。流程可以记成：

三相电流 → Clarke（αβ 坐标系）→ Park（要电角度 θe）→ 对 Id、Iq 做 PI → 再反变换 → SVPWM 去开六只管子。

入门策略常常是 Id = 0，只管 Iq。位置可以来自磁编码（有感），也可以靠观测器估（无感）。方波电调是六步、两相通电；FOC 是三相连续出力。硬件上都是三相桥，差在 采样和算法，不是差在「有没有六只 MOS」。

有感 FOC 最小集合其实就这些：

• 电角度：SPI 磁编码（不是霍尔的前置）
• 电流：低端分流 + 运放
• 母线电压：给占空比换算、欠压/过压
• 功率级：预驱 + 六管

霍尔接口、CAN、外挂 Flash、LCD，都不是电流环的零件。

2. 示波器上的 MA 不是正弦

MA/MB/MC 是桥臂中点，对地就是 0 和母线之间的方波（开关频率大约 20 kHz）。绕组是电感，电流被积得比较圆；电压要经过 RC 低通（板上电压采样大约 167 Hz 截止）才会变成「马鞍」或近似正弦的平均值。

所以：

• 调试逻辑看 HIN/LIN、采样触发看 TIM1_CH4（有的图叫 APH4）
• 看相电压看分压后的 VA/VB/VC
• 不必再给高压相线做一套示波器 RC；和 ADC 采样重复，还把高压引到调试座上

APH4 不是用来「校准定时器准不准」的，而是看 ADC 卡在 PWM 周期的哪一点（通常在中央，躲开开关尖峰）。触发在芯片内部已经连上，脚可以不引出。

3. 预驱：MCU 为什么推不动栅极

STM32 的 3.3 V GPIO 既没有十几伏的 Vgs，也灌不出开通瞬间的安培级电流；上管源极还跟着相线在 0～母线之间飞。所以中间是 FD6288 这类芯片：下管用芯片地作参考，上管用 VB/VS 自举 造一个浮地 12 V。

栅极那一组分立件也很典型：

• 22 Ω：开通走电阻，开慢一点，少 EMI、少直通
• 反并二极管：关断走二极管，关快一点
• 10 kΩ 栅源：没驱动时默认关
• 1 nF 栅源：压振荡、缓和米勒

自举二极管要用 肖特基（或超快恢复），耐压按 母线 选，不是按 12 V 选。上管一开，二极管阴极会到「母线+12 V」，普通 1N4007 来不及关断，会倒抽自举电容。12/24 V 母线可以用 60 V 管；要做到 48 V，换 100 V。电容跨在 VB–VS 上，耐压按 12 V 档（16 V/25 V 陶瓷），容量按 MOS 的栅极电荷 Qg，常见 100 nF～1 µF，每相一颗。

4. 源极怎么已经有电压了？

手册写：上管开通后源极约等于母线。当时想：不是应该先有 Vgs 才开通吗？源极怎么先变成母线？

顺序其实是：

1. 下管开：相线约等于 0，自举电容充到约 12 V。
2. 死区过后，芯片把 HO 接到 VB：这一瞬间源极 仍在 0 附近，Vgs 约等于 12 V，条件先满足。
3. 沟道导通，源极 才从 0 被拉到母线；电容电压不能突变，VB 跟着抬，Vgs 一直约 12 V。

两个「12 V」容易混：预驱电源是 12 V（栅源电压）；若电池也是 12 V，开通后源极对地碰巧也是 12 V。换 24 V 电池，源极对地变成约 24 V，Vgs 仍是约 12 V。

5. 保护页里那些「一直击穿」的稳压管

入口常有防反接 N-MOS、过压+缓启动 P-MOS。栅极上的 12 V 稳压管（G–S）在输入高于 12 V 时 就是一直击穿的——它钳的是 Vgs，不是把母线降成 12 V。多出来的电压在下拉电阻上。

不必为了「电机是 12 V」再在母线上加一级大电流 Buck。逆变器自己就是斩波器：有效电压约等于 母线 × 占空比。辅助电源那颗 1 A 的 LM5164 只给预驱和 5 V/3.3 V，电机电流不走它。

过压回路上的 1.5 MΩ 反馈和一只小电容，多半是抗抖，不是缓启动的主路径；缓启动主要靠 P-MOS 栅源的 RC，让管子在线性区给母线电容充电。

6. 电源：手册和开源图经常对不上

同步降压都有 SW 和 BST：内部上管也是 N-MOS，同样要自举。LDO 没有这两脚。

开源学习板喜欢全板 100 nF。那对 MCU 电源脚是对的，对 LDO/Buck 的 输出电容 往往偏小：

• XC6210 / LP5907：手册要 ≥1 µF，只焊 100 nF 能亮，环路和噪声不保证
• RY8411 输出：手册 22 µF×2，四颗 100 nF 差两个数量级
• LM5164 输入改成 10 µF、输出改成几颗 10 µF 陶瓷，属于同量级替换，和上面不是一类问题

STM32G431 的 USB：手册写明 片内已经含匹配阻抗，D+/D− 不必外串 22 Ω（F1 时代的习惯）。Type-C 当设备时，CC1/CC2 应各 5.1 kΩ 到地，接到 VBUS 很多 C-to-C 线不会出 5 V。

12 V 滤波一堆 10 µF 里混一颗 1206：主要是 直流偏压下小封装容量缩水，1206/25 V 才更像「真的 10 µF」。不必迷信九颗 0603。

晶振：负载电容是 pF，接在 OSC_IN/OUT 对地；四脚封装的 2、4 脚接地。8 MHz 可以，但要和 CubeMX 的 HSE 一致。

7. 电流采样：中点和开尔文

ADC 不能采负压，零电流要落在 1.65 V。AVCC 分压再经跟随器得到 VREF，运放做成：

ADC电压 ≈ VREF + 20 × I × 1mΩ

正电流往 3.3 V 走，负电流往 0 走。学习板用 电阻分压 + 跟随器 就够，不必 DAC。运放在 3.3 V 上尽量选轨到轨，老 LM321 的输出摆幅卡在 1.65 V 边上。

1 mΩ 两端若在原理图里都叫 GND，铺铜时采样会贴到大电流回流上。Net Tie / 短接符号是为了：只在电阻焊盘处 把采样网和功率地连起来。改成导线也能通，但布线仍要从焊盘拉细线，否则几毫欧地弹都会进电流环。

8. 电压采样和无感

有感 FOC 可以不要 VA/VB/VC；建议留一路 VBUS。无感再把三相分压加上。分压到地，二极管到 3.3 V 只是钳位保护，平时反偏；正偏时电流被 20 kΩ 限在几毫安，灌进 VCC 一般能被负载吃掉。

三只 1 kΩ 从 VA/VB/VC 交于 COM，是 虚拟星点，电压约等于 (VA+VB+VC)/3。SVPWM 有共模（马鞍），VA−COM 才更像绕组相对中性点的电压。方波无感拿它比过零；FOC 观测器有了它更干净，但不是「没有 COM 就不能无感」。

无感和有感 功率级可以同一套。差别是：有感要编码（或霍尔）；无感要估电角度 θe，低速还要强拖/I-F。没有「无感专用六管桥」。

磁编码：芯片自己测轴上磁铁，SPI 出角度。电机三线霍尔是另一路接口，不是磁编码的前置。

9. 外设：哪些是 FOC，哪些是产品

• LCD：ST7789 四线 SPI（SCK、MOSI、CS）+ DC/RES/背光。背光是屏后面的灯，和图像数据无关。PNP 高边时，LCD_BLK 低电平往往是亮。
• Flash（W25Q16）：存字库、多套参数。算法不需要。和 LCD 可共用 SPI3，CS 分开，Flash 的 CS/WP/HOLD 要上拉，上电时 CS 漂低可能误写。
• CAN：多板组网才有意义。单电机学习、USB/UART 调试即可。二维云台是 两台电机 + IMU + 外环，不是加了 CAN 就变成云台；两块驱动之间先串口也行。
• 终端电阻 120 Ω 用模拟开关切换时，控制脚是「电阻使能」，不要和逆变使能共用一根 R_EN。

指示灯不要挂在 LCD_RES、LCD_DC 上，那是功能脚；用户 LED 用空闲 GPIO。R_EN 若只控制 CAN 终端，灯亮表示电阻接上了，不表示电机在转。

10. 还没做完的

二维云台：先让 一个轴 有感闭环，再复制第二块板，主控发两个目标，然后才是 IMU 稳定。一块 G431 学习板按单电机画更稳。

无感可以在同一块硬件上加软件，但先把有感电流环做稳，观测器才有干净的 Ia、Ib。

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对照开源原理图时，现在会先问三句：这根网是功率、采样还是逻辑？这个 12 V 是母线、栅极还是芯片电源？这颗电容是环路稳定还是随手去耦？分得清，后面的「为什么一直击穿」「为什么要肖特基」「为什么不是正弦」都会好懂很多。