STM32F031有感FOC电机控制实战与优化

1. 项目概述：FOC有感电机控制实战分享

最近在做一个电动滑板车的驱动改造项目，需要用到FOC（Field Oriented Control，磁场定向控制）技术来控制无刷电机。经过两个月的折腾，终于把基于STM32F031的有感FOC控制代码调通了，实测效果比传统的方波控制要顺滑不少。这里把完整的代码和PCB设计分享出来，希望能帮到同样在折腾电机控制的朋友们。

FOC控制的核心思想是把三相交流电机等效成直流电机来控制，通过坐标变换把定子电流分解成产生磁场的分量（Id）和产生转矩的分量（Iq），分别进行控制。这种控制方式特别适合需要宽调速范围、高动态响应的场合，比如电动车、无人机、工业伺服等。

提示：本文分享的代码已在量产级电动滑板车控制器上验证过，支持最大48V/30A的驱动能力，霍尔传感器接口兼容常见的60°和120°安装方式。

2. 硬件设计要点解析

2.1 STM32F031选型考量

选择STM32F031C6T6这颗MCU主要基于以下几点考虑：

• 内置72MHz Cortex-M0内核，足够运行FOC算法（实测整个控制循环在15μs内完成）
• 具备3个运放和2个比较器，可直接用于电流采样和过流保护
• 带硬件除法器，方便做标幺值计算
• QFN32封装节省空间，适合紧凑型控制器设计
• 价格亲民（批量价约3元），适合消费级产品

2.2 功率电路设计

功率部分采用经典的三相全桥拓扑：

• 预驱芯片：EG2133（替代常见的IR2104，自带死区控制）
• MOS管：TPH1R406PL（40V/100A，Rds(on)=1.3mΩ）
• 电流采样：0.5mΩ/3W的合金采样电阻+INA240运放
• 母线电容：4颗100μF/63V的贴片铝电解并联

PCB布局特别注意：

1. 功率回路面积最小化（我的设计控制在<5cm²）
2. 采样电阻到运放的走线等长且对称
3. MOS管栅极驱动电阻靠近MOS管放置
4. 霍尔传感器信号线做包地处理

3. 软件架构与核心算法

3.1 控制环路时序安排

整个FOC控制采用10kHz的PWM频率，关键时序如下：

• ADC触发：PWM中心对齐模式的下溢中断
• 电流采样：PWM开通后1μs（避开MOS管米勒平台）
• 速度环：1kHz更新率
• 位置环