基于凌鸥LKS32MC037鱼缸用FOC潜水泵控制器
随着老百姓生活水平的提高，室内养殖观赏型鱼类的人越来越多，这就催生了鱼缸内小型潜水泵的市场发展。 早期鱼缸潜水泵都采用的方波驱动的控制器。随着技术的进步和芯片成本的下降，本文介绍的基于无感FOC算法潜水泵控制器已经成熟应用并且大批量产， 新型的正弦波FOC控制器相比较早期的方波控制器有如下几点优点：
平滑水流： 正弦波控制器可以产生平滑的电流输出，从而驱动潜水泵产生平滑的水流，有助于水族生物的健康生长。 节能： 正弦波控制器能够以更高效的方式驱动潜水泵，节省能源并降低能源消耗成本。 精确控制： 正弦波控制器可以精确控制潜水泵的转速和水流量，根据需要调节水流强度，提供更好的水族环境。 减少噪音： 正弦波控制器驱动的潜水泵通常运行更平稳，产生的噪音相对较少，提供一个更安静的水族环境。 长寿命： 正弦波控制器的稳定输出可以减少潜水泵的振动和磨损，延长潜水泵的使用寿命。
本控制器采用国产凌鸥芯片LKS32MC037电机开发平台，采用先进的FOC算法，FOC（Field-Oriented Control，场向量控制)是一种电机控制技术， 旨在实现对三相交流电机的精确控制。在无感FOC水泵控制器中，该技术被应用于控制水泵的电机，以实现更高效、更精确的水流控制。 实现潜水泵的小功率低噪声平稳运行。
主要代码实现如下：
1.主代码函数框架
程序框架主要由,State_machine状态机接口模块，Foc_Control控制模块，Fault故障检测模块。
整体框架如下图： Static_machine程序模块主要由以下函数模块：
Task_Scheduler()时间片执行函数组成，包含1ms任务调度， 主要包括FaultCheck()函数模块和sys_state_machine()状态机函数模块。 10ms,100ms的时间调度，用来处理反应不是特别快的进程。
Foc_Control控制模块主要由以下函数模块： McPWM0_IRQhandler()中断处理函数，包含FOC_Model函数进程模块。 Foc_Model()模块包含AdcSampleCal(),OpenCloseAngleSwitch(),CurrentLoopReg(), Svpwm()等Foc控制模块的主要组成部分，能实现FOC的电流检测，检测Clark,Park变化， 以及DQ方向轴上的电流环，最后输出产生SVPWM电压信号。
Foc_control控制模块的矢量电机控制的框架包括坐标转换、电流控制、磁场定向、速度调节和闭环控制等步骤， 通过精确控制电机的电流和转矩，实现对电机的高效、高性能的控制。
2.Foc控制算法
2.1 FOC框图
无感FOC控制软件主运动控制包含速度环+D轴电流环+Q轴电流环+SVPWM模块组成， 采用目标速度和当前测量的速度值Error产生速度环的输入，与设定的速度Ramp进行比较，运行速度环， 通过最大速度的限制.速度环的输出作为Q轴电流环的输入， D轴电流环的设定值恒为0。经过两路电流环的计算，输入到反PARK变换，最后经过SVPWM模块，生成3路三路相差120度的交流波形。
2.2 无感观测器
软件模块 FluxObserveParaCalc() 用于估计系统状态变量，它基于系统的数学模型和测量输出， 通过一个动态补偿器来估计系统的状态，并输出估计值。龙贝格观测器通过观测系统的输出，如电压或电流， 以及已知的系统模型，推断系统的内部状态变量，例如电网频率和相位。通过比较实际输出和观测器估计的输出，可以不断调整观测器的参数， 使其逼近实际状态。PLL算法（Phase-Locked Loop）：原理： PLL算法是一种用于跟踪信号频率和相位的闭环控制技术。 它通过比较输入信号和本地参考信号的相位差，并根据相位差的变化调整本地参考信号的频率和相位，使其与输入信号同步。 龙伯格观测器+PLL收敛算法,适用于大部分的水泵驱动方案,硬件要求低,启动稳定,能满足大部分需求! 本观测器已批量匹配应用三段式 Align+OpenLoop+CloseLoop无感启动方式.
3.部分代码
int main(void) {
SoftDelay(50000); /* 延时等待硬件初始化稳定 10000--2.56ms*/
__disable_irq(); /* 关闭中断 中断总开关 */
Hardware_init(); /* 硬件初始化 */
sys_init(); /* 系统初始化 */
__enable_irq(); /* 开启总中断 */
for(;;)
{
Task_Scheduler(); /* 任务调度函数，根据时间分片处理 */
}
}
/*******************************************************************************
函数名称： void Sys_State_Machine(stru_FOC_CtrProcDef *this)
功能描述： 系统状态机 电机状态各状态切换调度
输入参数： 无
输出参数： 无
返 回 值： 无
其它说明：
修改日期 版本号 修改人 修改内容
-----------------------------------------------------------------------------
2020/8/5 V1.0 Howlet Li 创建
*******************************************************************************/
void Sys_State_Machine(void)
{
switch (struFOC_CtrProc.eSysState)
{
case IDLE:
{ /* 空闲状态 */
if (struFOC_CtrProc.bMC_RunFlg)
{
StateInit();
#if (ROTOR_SENSOR_TYPE == ROTOR_SENSORLESS)
struFOC_CtrProc.eSysState = CHARGE; /* 进入充电状态 */
#else
#if ((ROTOR_SENSOR_TYPE == ROTOR_HALL_SENSOR)||(ROTOR_SENSOR_TYPE ==ROTOR_HALL2SENSORLESS))
if(GET_HALL_LEARN_STATE())
{ /* 进入HALL自学习状态 */
PWMOutputs(MCPWM0, ENABLE);
struFOC_CtrProc.eSysState = HALL_LEARN;
}
else
{
StateInit();
PWMOutputs(MCPWM0, ENABLE);
struFOC_CtrProc.eSysState = HALL_RUN; //有Hall运行
}
#endif
#endif
}
break;
}
case CHARGE:
{
StateCharge(); //预充电处理函数
break;
}
case BEMF_CHECK: /*反电动势检测*/
{
StateBemfDirCheck(); //反电势检测函数
break;
}
case DIR_CHECK: //顺逆风检测状态
{
StateDirCheck(); //顺逆风处理函数
break;
}
case INIT:
{ /* 初始化状态 */
StateInit();
#if (ROTOR_SENSOR_TYPE == ROTOR_SENSORLESS)
{
struFOC_CtrProc.eSysState = ALIGN;
}
#elif (ROTOR_SENSOR_TYPE == ROTOR_HALL_SENSOR)
{ //纯有感 根据hall 反馈
struFOC_CtrProc.eSysState = HALL_RUN;
}
#endif
break;
}
case POS_SEEK: //初始位置检测状态
{
StatePosSeek(); //初始位置检测处理函数
struFOC_CtrProc.eSysState = INIT;
break ;
}
case ALIGN: //预定位状态
{
PWMOutputs(MCPWM0, ENABLE);
StateAlign(); //预定位处理函数
break ;
}
case OPEN_RUN: //开环强拖状态
{
StateOpen(); //开环处理函数
break ;
}
case RUN:
{ /* 运行状态 */
StateRun(); //闭环处理函数
break;
}
case HALL_RUN:
{
StateHallRun();
break;
}
case HALL_LEARN:
{
#if ((ROTOR_SENSOR_TYPE == ROTOR_HALL_SENSOR)||(ROTOR_SENSOR_TYPE == ROTOR_HALL2SENSORLESS))
if(GET_HALL_LEARN_STATE() == HALL_LEARN_FINISH)
{
PWMOutputs(MCPWM0, DISABLE);
SetTimeOut_Counter(struFOC_CtrProc.nSetTimeLeftCnt, STATE_MACHINE_200MS);
struFOC_CtrProc.eSysState = WAIT;
}
#endif
break;
}
case BRAKE:
{ /* 电机刹车状态 */
StateStop(); //停止判定处理函数
SetTimeOut_Counter(struFOC_CtrProc.nSetTimeLeftCnt, STATE_MACHINE_200MS);
break;
}
case BEMF_BRAKE: /* 反电势刹车处理*/
{
StateBemfStop();
break;
}
case WAIT:
{ /* 等待状态 */
if (SetTime_IsElapsed(struFOC_CtrProc.nSetTimeLeftCnt))
{
struFOC_CtrProc.eSysState = IDLE;
}
break;
}
case FAULT:
{ /* 故障状态 */
StateFault(); //故障处理函数
if(stru_Faults.R == 0)
{
struFOC_CtrProc.eSysState = IDLE;
}
break;
}
default:
{
break;
}
}
if((struFOC_CtrProc.bMC_RunFlg == 0) && (stru_Faults.R == 0)) //无故障并且启动标志位清0，关闭输出，进入空闲状态
{
PWMOutputs(MCPWM0, DISABLE);
SetTimeOut_Counter(struFOC_CtrProc.nSetTimeLeftCnt, STATE_MACHINE_200MS);
struFOC_CtrProc.eSysState = WAIT;
}
}
4.硬件原理图
批量生产的原理图。