原標題：STM32 無刷航模電調 FOC電調

無刷航模電調（Electronic Speed Controller，ESC）基于FOC（Field-Oriented Control，場定向控制）技術，可以提供高效、平穩的電機控制，廣泛應用于航模、電動汽車、電動工具等領域。設計一個STM32無刷航模電調系統，涉及多方面的知識，包括電機驅動、電力電子、數字信號處理、控制算法等。以下是一個3000字左右的詳細設計方案，包括元器件選擇及其作用、設計原理、控制算法和電路框圖。

一、設計概述

STM32無刷航模電調設計的核心目標是高效、穩定地控制無刷直流電機（BLDC），采用FOC控制算法實現。通過FOC技術，能夠實現精確的電機控制，提高電機效率，減少熱量產生，延長電池使用壽命，同時降低噪音。

二、系統框架

系統由以下幾個主要部分組成：

• 主控制單元：STM32微控制器，負責處理FOC算法和驅動信號的生成。

• 電機驅動部分：功率半導體器件（MOSFETs），用于控制電機的相電流。

• 傳感器部分：霍爾傳感器或旋轉編碼器，用于獲取電機位置和速度信息。

• 電源管理部分：電源芯片與電池，提供系統所需的電壓和電流。

三、元器件選擇與作用

1. 微控制器：STM32F4系列

• 型號選擇：STM32F407VG

• 作用：主控制單元，負責實現FOC算法、PWM信號生成、與外部傳感器的通信等。STM32F407VG具備強大的運算能力（主頻最高可達168 MHz）、豐富的外設接口（如定時器、ADC、PWM等），適合用于實時控制應用。

• 選擇理由：

• 高性能ARM Cortex-M4核心，支持浮點運算，適合高效的FOC控制算法。

• 豐富的外設，支持PWM輸出、ADC輸入、SPI/I2C通信等，適合與電流、電壓、轉速傳感器進行接口連接。

• 豐富的開發工具和生態支持，適合快速開發。

2. 電流傳感器：ACS712電流傳感器

• 型號選擇：ACS712

• 作用：測量電機相電流，反饋電流信息給STM32，供FOC算法使用。

• 選擇理由：

• 性能穩定，輸出電壓與測量電流線性關系好，適合控制精度要求高的電調系統。

• 集成化設計，減少外部電路的復雜度。

• 可選擇適當的電流量程（如5A、20A版本），根據電機的工作電流范圍選擇。

3. 電壓傳感器：INA226電壓電流監測芯片

• 型號選擇：INA226

• 作用：用于監測電池電壓和電流，保護系統并優化電池使用。

• 選擇理由：

• 高精度，能夠實時監控電池的電壓、電流及功率。

• I2C接口，易于與STM32進行通信，簡化硬件設計。

4. 電機驅動：MOSFET（IGBT）驅動器

• 型號選擇：IRLZ44N（N溝MOSFET）

• 作用：控制電機的三相電流，驅動BLDC電機。

• 選擇理由：

• 具有低導通電阻，能有效降低開關損耗，保證系統高效運行。

• 驅動電流能力較強，適合大功率應用。

• 快速開關響應，有助于提高FOC控制精度。

5. 霍爾傳感器

• 型號選擇：SS495A1（線性霍爾傳感器）

• 作用：用于測量電機的旋轉位置，配合FOC算法生成必要的控制信號。

• 選擇理由：

• 線性輸出，適合高精度的位置反饋控制。

• 與STM32的ADC輸入兼容，信號讀取簡單。

6. 電源管理芯片：TPS7A02低噪聲LDO

• 型號選擇：TPS7A02

• 作用：為STM32及傳感器提供穩定的低噪聲電源，保證控制精度。

• 選擇理由：

• 低噪聲輸出，適合精密控制系統。

• 高效率，能夠減少電池能量浪費。

7. PWM生成與濾波電路

• 作用：產生PWM信號用于驅動MOSFET，通過PWM調節電機的功率輸出。

• 選擇理由：

• 高頻PWM信號有助于提高電機響應速度和控制精度。

• 適當的濾波電路可以平滑PWM信號，降低系統噪聲。

四、控制算法：FOC（場定向控制）

FOC控制通過將三相電機的電流分解為兩部分：一個與磁場平行的分量（定向分量），另一個與磁場垂直的分量（交叉分量）。通過調整這兩個分量的幅度和相位，可以精確地控制電機的轉矩和速度。

FOC控制分為以下幾個步驟：

1. 電流控制：通過電流傳感器實時獲取電機的三相電流，將其轉換為兩個正交分量（d軸和q軸），并根據目標轉矩調節這兩個分量的值。

2. 速度控制：通過PID控制器調節轉速，將目標轉速轉換為電流的調節目標。

3. 電機位置獲取：通過霍爾傳感器或旋轉編碼器獲取電機的轉子位置，計算d軸和q軸的參考位置。

4. PWM生成：根據FOC算法生成適當的PWM信號，驅動MOSFET控制電機。

五、電路框圖

以下為基于STM32的FOC無刷電調系統的電路框圖：

六、總結

設計一個基于STM32的FOC無刷航模電調系統，需要綜合考慮微控制器、傳感器、功率半導體器件、電源管理等多個方面的選擇。在選擇元器件時，必須確保它們的性能能夠滿足系統的實時性要求和功率需求，同時考慮到系統的成本和開發周期。通過合理的設計和優化，可以實現一個高效、穩定、精確的無刷電機控制系統，廣泛應用于航模和其他電動設備中。

設計一個FOC電調系統不僅需要掌握電機控制原理，還要在硬件、軟件、算法等方面進行協同優化，這樣才能確保電調系統能夠在實際應用中達到最佳性能。