一種提高微電機穩定度的算法研究

摘要：微電機作為精密設備的核心執行器件，被廣泛應用于各種精準控制設備，其控制精度和穩定度直接影響系統的整體性能。然而，現有驅動方法在復雜工況下的控制精度仍存在控制精度不足、響應速度較慢以及抗干擾能力弱等問題。為此，文章通過在STM32微控制器中搭建實時操作系統（Real Time Operate System，RTOS）并利用磁場定向控制（FieldOriented Control，FOC）算法對電機進行驅動。實驗結果表明，該算法能夠實現對微電機的精準控制，具有很好的反饋效果，為實現微電機高精度控制提供了新的思路。

關鍵詞：微電機；FOC；RTOS；STM32

中圖分類號：TN6；TP273文獻標志碼：A

0引言

隨著物聯網和人工智能等新興技術的快速發展，微電機作為現代智能設備的核心執行器件，其控制精度和穩定性對設備性能和系統效率的影響日益顯著。工業生產線、智能家居、機器人及無人駕駛等應用場景對電機的高精度和穩定性控制提出了更高要求［1］。然而，傳統的控制方法在復雜工況下往往存在控制精度不足、響應速度較慢以及抗干擾能力弱等問題，難以滿足現代系統對精密控制的需求。因此，研究如何通過先進算法和嵌入式平臺優化電機控制性能成為重要課題。

近年來，FOC作為一種矢量控制技術，憑借高動態性能和精確調速能力而廣泛應用于電機控制領域。王一凡等［2］設計了一種基于硬件描述語言的硬件FOC控制模塊，集成了編碼器和ADC模塊，顯著釋放了CPU算力并在閉環運行模式下使速度誤差穩定在11%的范圍內。此外，針對電機信號質量問題，王向恩等［3］提出了一種直流分量濾除方法。通過仿真驗證，該方法顯著提升了系統穩定性并降低了轉矩的波動。在控制精度優化方面，Wang等［4］提出了一種基于非線性時頻控制原理的新型FOC方法，通過非線性時頻控制器與PI控制器的組合，成功抑制了高頻電流振蕩和轉矩脈動，實現了轉子位置誤差小于013°的高精度控制。Abd等［5］結合分數階控制理論與粒子群優化算法（Particle Swarm Optimization， PSO），提出了一種分數階FOFOC方法。該方法將傳統矢量控制中的整數階PI控制器替換為分數階PI控制器。通過PSO對速度、電流和MRAS控制器的增益、積分參數以及分數階參數進行優化，確定了最優參數值，顯著提升了磁場定向控制技術的性能。

本研究的核心內容是對直流無刷電機（Brushless Direct Current，BLDC）的高精度和高穩定性控制，結合STM32微控制器和RTOS的多任務調度功能，設計并實現了一種改進型FOC算法。本研究采用了一些關鍵技術，包括在STM32F405RGT6微控制器上構建RTOS系統，利用FOC算法對微電機進行精確控制。

1矢量控制原理

11FOC算法

微電機控制相對簡單，通常用傳統換相控制就可以解決，但精度不能滿足某些場景應用的要求，利用FOC算法可以更加精準地對直流無刷電機進行控制［6］。FOC的核心思想是將電機的磁通分解為轉子磁場方向的磁通（D軸磁通）和垂直于轉子磁場方向的磁通（Q軸磁通），通過控制這2個軸的磁通來實現對電機的控制。FOC算法的整體框架如圖1所示。

要實現BLDC的驅動，須分別從軟件與硬件2個部分進行研究。在硬件控制方面，無刷電機由于不能像有刷電機那樣采用機械結構（電刷）就可以進行電流換向，須通過如MOS管等器件才能實現電子換向，也可使用IGBT、H橋電路等實現無刷電機控制。本設計采用MOS管進行驅動，通過在MOS管的柵極上施加電壓，可以控制漏極和源極之間的電流，進而控制無刷電機中電流的流向和大小，從而驅動電機的轉動。對電機的控制就是對MOS管開關規律的控制，這個過程須要通過MCU編寫程序進行控制。而FOC算法就是對電機的運動建立數學模型，把無刷直流電機的運動進行抽象化和簡化，使電機可以產生需要的力矩和速度。

12克拉克變換

電機的運動過程中，三相電流之間存在著120°的相位差。當MOS管被激活時，至少會有三相中的兩相被打開，須要通過多個相位的級聯實現對電機的精確控制。然而，為了簡化控制模型，須要將這種多變量耦合問題降解為少變量或單一變量問題。這就是克拉克（Clarke）變換的作用，它能夠實現從三相靜態坐標系到兩相靜態坐標系的轉換。三相定子電流滿足基爾霍夫定律［7］，電流關系如下：

如圖2所示，可以將三相電流波形抽象為120°的矢量。這種抽象化的過程實際上是一個從物理空間到數學空間的映射，使得可以用數學工具更方便地對電流波形進行分析和處理。然后，將這個120°的矢量映射到二維坐標系中，這樣就可以利用二維坐標系的性質進行進一步的分析［8］。在二維坐標系中，可以通過三角函數的變換來得到電流關系式，如公式（2）所示。

13帕克變換

帕克變換與克拉克變換在某些方面有所不同，尤其是在坐標系的選擇上［9］。帕克變換構建了一個隨電機轉子轉動的QD坐標系，這使得人們可以更直觀地理解和控制電機的狀態。θ是由編碼器實時測出的電角度，是D坐標軸與α坐標軸的夾角。此時將α與β分量分別映射到D軸與Q軸上，得到關系式如公式（6）所示。

帕克逆變換最終實現了將旋轉的QD坐標系轉換回靜止的ABC坐標系（代表電機的三相）的坐標變換。這種方式可以將復雜的三相電流問題轉化為2個獨立的單相電流問題，從而降低了電機控制的復雜性［10］。這是帕克變換的主要優點，也是它在電機控制領域得到廣泛應用的原因。

2系統硬件設計

系統硬件電路主要包括STM32控制電路、鍵盤掃描電路、MOS管驅動電路、磁編碼器電路、微電機模塊（2804）以及TFT顯示電路。該電路以STM32F405RGT6為主體，2804電機配合磁編碼器與主控之間采用SPI通信協議，雙向通信電機旋轉過程中的角速度、旋轉角度同時對電機進行既定方案的控制。TFT屏幕與主控之間采用SPI通信協議，形成GUI界面，實現更好的人機交互。鍵盤掃描電路與主控之間也采用SPI通信協議，可以通過鍵盤的輸入實現對旋鈕不同模式之間的切換。計算機設備與STM32主控采用HID通信，可以將旋鈕帶來的反饋顯示到計算機設備當中。基于FOC算法的微電機控制系統硬件框架如圖3所示。

鍵盤掃描電路主要通過檢測鍵盤按下的方式完成對應的邏輯輸入。當按下按鍵時，STM32對應引腳為低電平；當按鍵松開時為高電平。這些高低電平信號加載到74HC165移位寄存器中，然后通過SPI將輸入信號裝入STM32主控。

MT6816CT是基于各向異性磁阻（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）原理的高速高精度角度編碼器。其工作原理是在旋轉旋鈕（電機）時，xy平面磁場會發生旋轉，編碼器會產生2路正弦信號，從而可以計算磁場旋轉角度。該角度可用于帕克逆變換中，實現對電機的FOC算法控制［11］。

MOS管驅動微電機主要是通過三相全橋的電路（由6個N溝道功率MOSFET組成），控制器通過控制6個MOSFET的通斷，完成電機的換相，使電機按照預期轉動。

2804直流無刷電機是一種高效、可靠的電動機，廣泛應用于各種需要精確控制和高性能的應用中［12］。該電機的驅動電壓為24 V，轉子極數為14，空載電流為10 mA，最大連續電流為100 mA，電機內阻為13 Ω。這些參數使得2804直流無刷電機在各種工作環境中都能提供穩定的性能，滿足本文控制方案的硬件要求。

3系統軟件設計

31RTOS

RTOS是嵌入式系統的核心軟件，負責任務管理和資源調度，確保系統能夠在嚴格的時間限制內完成各項任務。RTOS與普通操作系統的區別在于實時性和任務調度能力，能夠在多任務并發的情況下有效分配系統資源，尤其適用于復雜的嵌入式控制系統。

系統由RTOS來管理調度眾多任務。系統處理電機FOC、GUI（用戶界面）、Monitor檢測、Clock顯示、鍵盤掃描以及USB收發6個任務。每個任務都被賦予明確的優先級，在運行系統時，CPU會被根據優先級高低來分配處理時間。當系統發生特定事件或者多個并行事件同時發生時，CPU會中斷當前執行任務，響應最高優先級任務的請求，如圖4所示。

在本系統中，RTOS的主要功能包括任務優先級調度、多任務管理和中斷處理。首先，通過為不同任務分配優先級，RTOS保證了關鍵任務（如電機控制）的實時執行，同時將界面刷新和按鍵掃描等低優先級任務安排在空閑時間處理。其次，RTOS實現了多任務并行運行，例如電機的FOC計算、TFT屏幕的界面更新、磁編碼器的數據采集和鍵盤輸入的邏輯處理均通過RTOS的任務管理框架高效協調運行。最后，RTOS的中斷機制使系統能夠快速響應傳感器反饋和用戶輸入，進一步提升了系統的實時性和穩定性。

32軟件設計

321主程序流程

主程序流程如圖5所示。電機任務啟動后，通過控制循環來處理不同的工作模式和頁面類型。在每個循環中，首先檢查按鍵狀態，然后根據按鍵狀態處理工作模式和頁面類型，最后根據當前的工作模式和頁面類型執行相應的操作。

322FOC算法流程

FOC算法流程如圖6所示。（1）從電機驅動器中讀取電機的三相電流作為輸入。（2）通過矩陣乘法將三維的ABC坐標系（對應于電機的三相電流）轉換為二維的αβ坐標系。（3）將靜止的αβ坐標系轉換為旋轉的DQ坐標系。這個變換須要知道電機的轉子位置，通常通過編碼器或者霍爾傳感器來獲取。計算參考電流與實際電流的差，這個差就是電流誤差。使用PI控制器來處理電流誤差，得到電壓指令。PI控制器可以消除靜態誤差并且具有良好的動態性能。（4）將旋轉的DQ坐標系轉換回靜止的αβ坐標系。這個變換是帕克變換的逆變換。（5）使用SVPWM將αβ坐標系的電壓指令轉換為PWM信號，將生成的PWM信號送入電機驅動器，驅動電機轉動。

323檢測電機角度速度流程

檢測流程如圖7所示。檢測電機的角度和速度的思路相同，以獲得速度為例進行說明。首先，檢查電機是否連接編碼器。如果沒有連接編碼器，就直接返回上一次計算的估計速度。這個速度是通過編碼器的脈沖計數和時間間隔計算出來的，還須要考慮電機的轉向，最后的原始速度等于編碼器的速度乘以轉向，使用一個低通濾波器來處理原始速度，得到估計速度。最后，返回估計速度。

33PID參數設置

電機擁有多種工作模式，在每種模式下，都會設置電機的PID控制參數。經過試驗檢測測試得到符合既定條件的PID參數，結果如表1所示。

4實驗結果與分析

系統整體包含鍵盤、2804電機以及TFT屏幕等外設。通過旋轉電機，TFT可以顯示旋轉2804直流無刷電機的一些參數，主要包括電機旋轉角速度、編碼器角度、旋鈕角度和旋鈕累積角度，實驗獲得的數據為旋轉角速度0406 rad/s、編碼器角度8293°、旋鈕角度132017°、旋鈕累積角度為73320°、工作模式為（6，1）。此外電機還可以實現彈簧模式，即啟動彈簧模式后，旋轉任意角度，松開后電機會迅速轉動恢復到原有位置。可以通過修改PID參數，微調恢復位置的精確度。此外，通過觸動按鍵，TFT屏幕可以顯示年月日以及時鐘。綜上所述，本文利用STM32F405RGT6微控制器成功實現了基于FOC算法的微電機穩定電路的設計。

5結語

本設計通過引入FOC算法，有效提高了電機的控制精度；借助STM32微控制器和RTOS實時操作系統，保證了系統的穩定性與實時性；結合磁編碼器的高精度反饋，系統實現了對微電機的精確控制，滿足了設計目標的要求。實驗結果表明，所設計的系統具有較高的控制精度，但在實際應用中仍存在一些不足，如系統在復雜工況下的穩定有待進一步提高，FOC算法在實時性和能效優化方面尚有改進空間，用戶界面的交互功能可以進一步增強，以滿足多樣化的使用場景和復雜應用需求。

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（編輯王雪芬）