海军工程大学电气工程学院 严思念 赵镜红 熊义勇 周杨威

本文设计了一款用于教学的速度、位置、转矩三闭环可切换矢量控制器“掌上FOC”及其配套软件。该控制器尺寸仅7.7cm×5.6cm，可使用8～24V安全电压供电，包含控制、驱动、反馈采样、上位机通讯等全套功能，配合上位机界面可以观测各物理量并实现在线调节参数。该控制器的设计实现有助于激发学生对电机控制和嵌入式技术的学习兴趣。

随着现代交流电机控制技术、微型计算机控制技术和大规模集成电路等飞速发展，交流电动机的调速、控制技术得到突飞猛进的发展。当前，交流电动机凭借其高效率、高可靠性及高可控性能已经遍布工业、医疗、航空航天等各个领域。而当交流电机运行于调速性能较高或低速大转矩需求的场合，则通常采用基于逆变器的磁场定向控制（FOC）方法[1]。

高等院校电机控制的课程安排自然需要涵盖FOC部分的内容。然而现代电机控制技术具有多学科交叉、理论较抽象等特点，因而当前的教学现状普通存在以下问题[2]：（1）不够重视实践教具设计；（2）学生实操机会少；（3）教学方法比较单一。同时，传统电机控制试验平台体积庞大、高压危险、学生难以自己动手搭建，降低了学生的学习积极性[3]。随着教学模式的改变，实践教学进入课堂，不仅丰富了课堂内容，对培养和提高学生的社会岗位能力也具有重要意义[4]。

鉴于此，本文基于STM32F103C8T6微控制单元（MCU）设计电机三闭环“掌上FOC”控制器，尺寸仅7.7cm×5.6cm，可一手握持，采用LabWindows/CVI设计上位机界面实现波形上传显示和在线调参、控制。其供电为8～24V安全电压，学生可以放心实操。硬件设计软件采用国产的立创EDA，操作简单、方便工程共享，学生可自行动手制作、修改打样，有效加深学生对于电机矢量控制和嵌入式技术的理解。

1 “掌上FOC”结构设计

海军工程大学电机学课程教师团队开发了适用于低压永磁电机、异步电机及无刷直流电机的FOC控制装置——“掌上FOC”。首先，以感应电机为例明确FOC的控制拓扑，如图1所示。

根据感应电机FOC控制拓扑，可得出：该控制装置的硬件需包括控制器最小系统、控制信号的隔离驱动、桥式逆变电路、电流及转速的采样反馈，此外还需要供电及通讯接口；而控制器软件部分涉及到的资源有定时器（PWM）、ADC采样、通用输入输出接口（GPIO）、直接访问存储器（DMA）、串口及I2C等通讯。因此给出最终设计得到的“掌上FOC”如图2所示。

2 “掌上FOC”硬件电路设计

2.1 MCU电路设计

本设计选择学生容易学习掌握的主流MCU，并要求拓展出易于操作的按键接口、指示灯、上位机通讯接口，方便学生观察、实验和动手编程操作。

以此为指导设计STM32F103C8T6为核心的MCU电路。其部分原理图如图3所示，包括了晶振电路、复位电路、SWD在线调试接口、按键及指示灯电路，留有两路电流采样的ADC通道和一路串口通讯。此外，扩展出一路I2C通讯和冗余的ADC引脚，用于兼容模拟输出和I2C通讯输出的位置传感器。

2.2 驱动及采样电路设计

学生可从本部分电路设计中习得电机驱动和采样的基础电路拓扑，并确保在实验中不会存在安全隐患。因而本部分电路应该具备结构清晰简单、反馈可靠、保护齐备的特点。

此处选用的L6234D三相全桥MOS集成芯片，其最大工作电压在8～58V，持续工作电流高达2A、最大开关频率高达50kHz，可以满足各种桌面级低压电机（如无刷云台电机）驱动的实验需求。此外，其自带硬件死区生成、过流保护、过温保护、过压（低压）保护、三相PWM独立使能，可以达到安全性要求。

为了使学生直观的了解电流采样原理，此处选用相电流串电阻采样的方式，因而需要经过的INA240系列芯片进行共模电压抑制、尖峰保护和调理放大之后才能进入单片机的采样引脚。该部分电路原理图如图4所示。

2.3 电源及通讯电路设计

考虑学生在各种条件下进行试验的需求，本设计的供电系统需要满足功率侧-控制器单独供电、统一供电的兼容性需求。因而加入一组开关和隔离型DC-DC变换器满足不同实验条件下的切换控制。此处选用金升阳公司的F2405-1WR2，可以在21.6～26.4V输入电压下为控制侧供5V直流电，后经AMS1117-3.3芯片降压为3.3V输入单片机及其外围电路。

同时，为了学生能够方便地在上位机观察电流、转速、角度等波形，此处设计了基于CH340的串口转USB电路，使用TYPE-C接口连接计算机。该部分电路原理图如图5所示。

2.4 PCB设计

最终设计完成的PCB和CAD设计如图6所示。电路板的上半部分为控制电路、下半部分为驱动电路，采用四层板设计。强弱电的地层仅通过R11及过孔单点连接，减少耦合干扰。采样电阻R2、R3使用2512封装，既满足了功率要求，也方便学生测量电压及更换不同阻值进行试验。

3 “掌上FOC”软件设计

3.1 矢量控制代码设计

学生可以基于本设计学习电机控制的代码编写，STM32 F103C8T6可使用KEIL5进行ST官方库函数代码编写，其具有语法直观、易于学习的特点。首先在主函数中进行各变量初始化和矢量控制结构体的赋值。随后的状态机、采样、控制计算全部在高级定时器的中断中执行。基于C语言的三闭环、可切换矢量控制程序拓扑如图7所示。

3.2 上位机界面设计

为了学生直观的观察电机矢量解耦的效果和PID调节参数的效果，基于NI公司的LabWindows/CVI软件设计了上位机界面。上位机包含了自动搜索串口、即时调整图形窗口横纵轴坐标等易用的功能。其界面和波形显示如图8所示。

4 结论

本文介绍了一款用于教学目的、结构小巧、功能齐全、安全性较高的FOC控制器及配套软件。该控制器能够在便携、安全的前提下，完成矢量控制的完整功能展示并清晰的显示其控制效果；同时，其简单的结构也易于学生进行复刻、改动等进阶学习。该教学用三闭环电机控制器“掌上FOC”的设计实现，对于激发学生学习热情和加深知识理解有促进作用。