简介：超迷你的FOC驱动器。不依赖任何库，手写FOC代码，简单易懂，入门首选。

您好！非常感谢您提供这张超迷你FOC驱动器的图片以及项目需求。作为一名高级嵌入式软件开发工程师，我将为您详细阐述最适合这款超迷你FOC驱动器的代码设计架构，并提供具体的C代码实现，同时涵盖整个嵌入式系统开发流程中的关键环节。
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项目简介与需求分析

项目目标: 设计并实现一个超迷你的、全开源的FOC（磁场定向控制）电机驱动器软件，该软件应完全手写，不依赖任何外部库，代码简洁易懂，旨在为初学者提供一个入门FOC控制的理想平台。

关键需求:

1. 超迷你: 代码需要精简高效，适用于资源受限的嵌入式系统。
2. FOC驱动: 实现三相永磁同步电机（PMSM）的磁场定向控制，包括电流环、速度环（可选）等核心算法。
3. 全开源: 代码完全开放，方便学习、修改和二次开发。
4. 手写代码，不依赖库: 从底层开始编写所有代码，避免使用现成的库，以深入理解FOC控制原理。
5. 简单易懂，入门首选: 代码结构清晰，注释详尽，降低学习门槛。
6. 可靠、高效、可扩展: 系统平台需要具备良好的可靠性、运行效率和一定的可扩展性，为后续功能升级和优化预留空间。
7. 实践验证: 采用的技术和方法均需经过实践验证，确保方案的可行性和有效性。
8. 完整开发流程: 从需求分析到系统实现，再到测试验证和维护升级，体现完整的嵌入式系统开发流程。

系统架构设计

为了满足上述需求，特别是要做到“简单易懂”、“可靠高效”和“可扩展”，我推荐采用分层模块化架构。这种架构将系统分解为多个独立的模块，每个模块负责特定的功能，模块之间通过清晰的接口进行通信。这种架构具有以下优点：

• 模块化: 功能模块独立，易于理解、开发、测试和维护。
• 高内聚低耦合: 模块内部功能紧密相关，模块之间依赖性低，便于修改和扩展。
• 可重用性: 某些模块（如底层驱动）可以在不同项目中重用。
• 可测试性: 模块化设计使得单元测试更加容易进行。
• 易于扩展: 新增功能可以通过添加新的模块或修改现有模块实现，对整体架构影响较小。

分层模块化架构设计:

我将系统架构设计为以下几个层次和模块：

1. 硬件抽象层 (HAL - Hardware Abstraction Layer):

   • GPIO 驱动: 控制通用输入输出端口，用于电机驱动器的使能、方向控制、指示灯等。
   • PWM 驱动: 生成脉冲宽度调制信号，用于控制电机驱动桥的开关，实现电机电压的调节。
   • ADC 驱动: 模数转换，采集电机电流、电压、位置传感器（如编码器）的模拟信号。
   • Encoder 驱动: 处理编码器信号，获取电机转子的位置和速度信息。
   • Timer 驱动: 提供定时功能，用于PWM信号的生成、采样定时、控制环路定时等。
   • UART 驱动 (可选): 串口通信，用于调试、参数配置或上位机通信。

2. 驱动层 (Driver Layer):

   • 电机驱动器驱动 (Motor Driver Driver): 封装底层的PWM和GPIO驱动，提供更高级的电机控制接口，如设置PWM占空比、使能/禁用驱动器等。
   • 电流采样驱动 (Current Sampling Driver): 封装ADC驱动，处理电流采样数据，进行滤波、校准等预处理。
   • 位置传感器驱动 (Position Sensor Driver - Encoder Driver): 封装Encoder驱动，处理编码器信号，计算电机角度和速度。

3. 控制层 (Control Layer):

   • 坐标变换模块 (Coordinate Transformation Module): 实现 Clarke 变换、Park 变换和反 Park 变换，用于在两相静止坐标系、两相旋转坐标系和三相坐标系之间进行电流和电压的转换。
   • FOC 控制器模块 (FOC Controller Module): 实现磁场定向控制的核心算法，包括：
     • 电流环控制器 (Current Loop Controller): 通常采用 PI 控制器，控制电机的 d 轴和 q 轴电流。
     • 速度环控制器 (Speed Loop Controller - 可选): 通常采用 PI 控制器，控制电机的转速 (如果需要速度控制模式)。
     • 弱磁控制模块 (Field Weakening Module - 可选): 在高速运行时，通过控制 d 轴电流进行弱磁控制，扩展电机的调速范围 (本项目可以简化或省略)。
     • SVPWM 模块 (Space Vector PWM Module): 空间矢量脉宽调制，根据控制器的输出电压矢量，生成合适的 PWM 波形驱动电机。
   • 角度/速度估计模块 (Angle/Speed Estimation Module): 根据编码器信号或通过其他方法 (如观测器，本项目使用编码器直接测量)，估计电机转子的角度和速度。

4. 应用层 (Application Layer):

   • 系统初始化模块 (System Initialization Module): 初始化所有硬件模块、配置参数、启动定时器和中断等。
   • 主循环 (Main Loop): 程序的入口，负责任务调度、状态机管理、控制循环的执行等。
   • 参数配置模块 (Parameter Configuration Module - 可选): 通过串口或其他方式接收上位机指令，配置控制参数 (如 PI 控制器参数、电机参数等)。
   • 故障处理模块 (Fault Handling Module): 检测系统故障 (如过流、过压、编码器故障等)，并进行相应的处理 (如停机保护、报警等)。

代码实现 (C 语言)

为了满足 3000 行代码的要求，我将尽可能详细地编写代码，包括详尽的注释、模块化的函数设计和必要的错误处理。以下是代码框架和关键模块的实现，由于篇幅限制，我将提供核心代码片段，并对关键部分进行详细解释。完整的 3000 行代码将包含更多的细节和完善的功能，例如更全面的错误处理、更精细的参数配置接口、以及更完善的注释和文档。

1. 硬件抽象层 (HAL)

// hal_gpio.h
#ifndef HAL_GPIO_H
#define HAL_GPIO_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

// 定义 GPIO 端口和引脚 (根据具体的硬件平台定义)
typedef enum {
    GPIO_PORT_A,
    GPIO_PORT_B,
    // ...
    GPIO_PORT_MAX
} GPIO_Port;

typedef enum {
    GPIO_PIN_0,
    GPIO_PIN_1,
    // ...
    GPIO_PIN_MAX
} GPIO_Pin;

// GPIO 初始化配置结构体
typedef struct {
    GPIO_Port port;
    GPIO_Pin pin;
    uint32_t mode;       // 输入/输出/复用功能等
    uint32_t pull;       // 上拉/下拉/浮空
    uint32_t speed;      // 速度等级 (可选)
} GPIO_InitTypeDef;

// 初始化 GPIO
void HAL_GPIO_Init(GPIO_InitTypeDef *GPIO_InitStruct);

// 设置 GPIO 输出电平
void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_Port port, GPIO_Pin pin, bool PinState);

// 读取 GPIO 输入电平
bool HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_Port port, GPIO_Pin pin);

// ... 其他 GPIO 相关函数 (如 GPIO 锁存、中断配置等)

#endif // HAL_GPIO_H


// hal_pwm.h
#ifndef HAL_PWM_H
#define HAL_PWM_H

#include <stdint.h>

// PWM 通道定义 (根据具体的硬件平台定义)
typedef enum {
    PWM_CHANNEL_1,
    PWM_CHANNEL_2,
    PWM_CHANNEL_3,
    // ...
    PWM_CHANNEL_MAX
} PWM_Channel;

// PWM 初始化配置结构体
typedef struct {
    PWM_Channel channel;
    uint32_t frequency;    // PWM 频率
    float duty_cycle;     // PWM 占空比 (0.0 - 1.0)
    uint32_t polarity;     // 极性 (高电平有效/低电平有效)
    // ... 其他 PWM 配置参数 (如预分频器、计数模式等)
} PWM_InitTypeDef;

// 初始化 PWM
void HAL_PWM_Init(PWM_InitTypeDef *PWM_InitStruct);

// 设置 PWM 占空比
void HAL_PWM_SetDutyCycle(PWM_Channel channel, float duty_cycle);

// 启动 PWM 输出
void HAL_PWM_Start(PWM_Channel channel);

// 停止 PWM 输出
void HAL_PWM_Stop(PWM_Channel channel);

// ... 其他 PWM 相关函数 (如 PWM 频率设置、相位设置等)

#endif // HAL_PWM_H


// hal_adc.h
#ifndef HAL_ADC_H
#define HAL_ADC_H

#include <stdint.h>

// ADC 通道定义 (根据具体的硬件平台定义)
typedef enum {
    ADC_CHANNEL_1,
    ADC_CHANNEL_2,
    ADC_CHANNEL_3,
    // ...
    ADC_CHANNEL_MAX
} ADC_Channel;

// ADC 初始化配置结构体
typedef struct {
    ADC_Channel channel;
    uint32_t resolution;    // ADC 分辨率 (如 12 位)
    uint32_t sampling_rate; // 采样率 (可选)
    // ... 其他 ADC 配置参数 (如采样时间、触发模式等)
} ADC_InitTypeDef;

// 初始化 ADC
void HAL_ADC_Init(ADC_InitTypeDef *ADC_InitStruct);

// 读取 ADC 转换值
uint16_t HAL_ADC_GetValue(ADC_Channel channel);

// 启动 ADC 转换
void HAL_ADC_StartConversion(ADC_Channel channel);

// 停止 ADC 转换
void HAL_ADC_StopConversion(ADC_Channel channel);

// ... 其他 ADC 相关函数 (如 ADC 校准、DMA 模式配置等)

#endif // HAL_ADC_H


// hal_encoder.h
#ifndef HAL_ENCODER_H
#define HAL_ENCODER_H

#include <stdint.h>

// 编码器接口定义 (根据具体的硬件平台定义)
typedef enum {
    ENCODER_INTERFACE_1,
    ENCODER_INTERFACE_2,
    // ...
    ENCODER_INTERFACE_MAX
} Encoder_Interface;

// 编码器初始化配置结构体
typedef struct {
    Encoder_Interface interface;
    uint32_t resolution; // 编码器分辨率 (每转脉冲数 PPR)
    uint32_t mode;       // 编码器模式 (正交编码、单相编码等)
    // ... 其他编码器配置参数 (如计数模式、滤波等)
} Encoder_InitTypeDef;

// 初始化编码器
void HAL_Encoder_Init(Encoder_InitTypeDef *Encoder_InitStruct);

// 读取编码器计数值
int32_t HAL_Encoder_GetCounterValue(Encoder_Interface interface);

// 设置编码器计数值
void HAL_Encoder_SetCounterValue(Encoder_Interface interface, int32_t value);

// ... 其他编码器相关函数 (如编码器速度计算、中断配置等)

#endif // HAL_ENCODER_H


// hal_timer.h
#ifndef HAL_TIMER_H
#define HAL_TIMER_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

// 定时器定义 (根据具体的硬件平台定义)
typedef enum {
    TIMER_1,
    TIMER_2,
    // ...
    TIMER_MAX
} TIMER_Instance;

// 定时器初始化配置结构体
typedef struct {
    TIMER_Instance instance;
    uint32_t prescaler;     // 预分频器
    uint32_t period;        // 计数周期
    // ... 其他定时器配置参数 (如计数模式、中断使能等)
} TIMER_InitTypeDef;

// 初始化定时器
void HAL_Timer_Init(TIMER_InitTypeDef *Timer_InitStruct);

// 启动定时器
void HAL_Timer_Start(TIMER_Instance instance);

// 停止定时器
void HAL_Timer_Stop(TIMER_Instance instance);

// 设置定时器周期
void HAL_Timer_SetPeriod(TIMER_Instance instance, uint32_t period);

// 获取定时器当前计数值
uint32_t HAL_Timer_GetCounter(TIMER_Instance instance);

// 设置定时器中断回调函数 (可选)
void HAL_Timer_SetInterruptCallback(TIMER_Instance instance, void (*callback)(void));

// 使能定时器中断 (可选)
void HAL_Timer_EnableInterrupt(TIMER_Instance instance);

// 禁用定时器中断 (可选)
void HAL_Timer_DisableInterrupt(TIMER_Instance instance);

// ... 其他定时器相关函数 (如 PWM 输出功能配置、输入捕获功能配置等)

#endif // HAL_TIMER_H


// 示例 HAL 层实现 (hal_gpio.c, hal_pwm.c, hal_adc.c, hal_encoder.c, hal_timer.c)
// 这些 .c 文件将根据具体的硬件平台编写，例如针对 STM32 微控制器的 HAL 库实现。
// 这里为了演示，只提供一个简单的 hal_gpio.c 示例：

// hal_gpio.c
#include "hal_gpio.h"

// 硬件寄存器地址 (需要根据具体的硬件平台定义)
#define GPIOA_MODER   (volatile uint32_t*)(0x40020000) // GPIOA 模式寄存器
#define GPIOA_ODR     (volatile uint32_t*)(0x40020014) // GPIOA 输出数据寄存器
#define GPIOA_IDR     (volatile uint32_t*)(0x40020010) // GPIOA 输入数据寄存器
// ... 其他 GPIO 寄存器地址

void HAL_GPIO_Init(GPIO_InitTypeDef *GPIO_InitStruct) {
    // 根据 GPIO_InitStruct 配置硬件寄存器
    // 示例：配置 GPIOA Pin 5 为输出模式，推挽输出，无上下拉
    if (GPIO_InitStruct->port == GPIO_PORT_A && GPIO_InitStruct->pin == GPIO_PIN_5) {
        // 配置模式为输出模式 (01)
        *GPIOA_MODER &= ~(3 << (5 * 2)); // 清除位
        *GPIOA_MODER |= (1 << (5 * 2));   // 设置位

        // 配置为推挽输出 (默认)

        // 配置为无上下拉 (默认)
    }
    // ... 其他 GPIO 初始化配置
}

void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_Port port, GPIO_Pin pin, bool PinState) {
    // 设置 GPIO 输出电平
    if (PinState) {
        // 输出高电平
        if (port == GPIO_PORT_A) {
            *GPIOA_ODR |= (1 << pin);
        }
        // ... 其他端口
    } else {
        // 输出低电平
        if (port == GPIO_PORT_A) {
            *GPIOA_ODR &= ~(1 << pin);
        }
        // ... 其他端口
    }
}

bool HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_Port port, GPIO_Pin pin) {
    // 读取 GPIO 输入电平
    if (port == GPIO_PORT_A) {
        return (*GPIOA_IDR & (1 << pin)) ? true : false;
    }
    // ... 其他端口
    return false; // 默认返回低电平
}

2. 驱动层 (Driver Layer)

// motor_driver.h
#ifndef MOTOR_DRIVER_H
#define MOTOR_DRIVER_H

#include "hal_pwm.h"
#include "hal_gpio.h"

// 电机驱动器配置结构体
typedef struct {
    PWM_Channel pwm_u_channel; // U 相 PWM 通道
    PWM_Channel pwm_v_channel; // V 相 PWM 通道
    PWM_Channel pwm_w_channel; // W 相 PWM 通道
    GPIO_Port enable_port;    // 使能 GPIO 端口
    GPIO_Pin enable_pin;      // 使能 GPIO 引脚
    GPIO_Port direction_port; // 方向 GPIO 端口 (如果需要)
    GPIO_Pin direction_pin;   // 方向 GPIO 引脚 (如果需要)
    // ... 其他电机驱动器配置参数
} MotorDriver_InitTypeDef;

// 初始化电机驱动器
void MotorDriver_Init(MotorDriver_InitTypeDef *driver_config);

// 设置电机驱动器 PWM 占空比 (三相)
void MotorDriver_SetDutyCycle(float duty_u, float duty_v, float duty_w);

// 使能电机驱动器
void MotorDriver_Enable();

// 禁用电机驱动器
void MotorDriver_Disable();

// ... 其他电机驱动器控制函数 (如设置方向、刹车等)

#endif // MOTOR_DRIVER_H


// current_sensor.h
#ifndef CURRENT_SENSOR_H
#define CURRENT_SENSOR_H

#include "hal_adc.h"

// 电流传感器配置结构体
typedef struct {
    ADC_Channel current_u_channel; // U 相电流 ADC 通道
    ADC_Channel current_v_channel; // V 相电流 ADC 通道
    ADC_Channel current_w_channel; // W 相电流 ADC 通道 (可选，如果使用三相电流传感器)
    float sensitivity;           // 传感器灵敏度 (A/V)
    float offset;                // 传感器零点偏移 (V)
    // ... 其他电流传感器配置参数 (如滤波参数)
} CurrentSensor_InitTypeDef;

// 初始化电流传感器
void CurrentSensor_Init(CurrentSensor_InitTypeDef *sensor_config);

// 读取三相电流值 (单位: 安培)
void CurrentSensor_GetPhaseCurrents(float *i_u, float *i_v, float *i_w);

// ... 其他电流传感器相关函数 (如电流校准、滤波处理等)

#endif // CURRENT_SENSOR_H


// encoder_sensor.h
#ifndef ENCODER_SENSOR_H
#define ENCODER_SENSOR_H

#include "hal_encoder.h"

// 编码器传感器配置结构体
typedef struct {
    Encoder_Interface encoder_interface; // 编码器接口
    uint32_t ppr;                      // 编码器每转脉冲数 (PPR)
    float pole_pairs;                 // 电机极对数
    // ... 其他编码器传感器配置参数 (如方向、零位校准)
} EncoderSensor_InitTypeDef;

// 初始化编码器传感器
void EncoderSensor_Init(EncoderSensor_InitTypeDef *sensor_config);

// 获取电机转子机械角度 (弧度)
float EncoderSensor_GetMechanicalAngle();

// 获取电机转子电角度 (弧度)
float EncoderSensor_GetElectricalAngle();

// 获取电机转速 (弧度/秒)
float EncoderSensor_GetAngularVelocity();

// ... 其他编码器传感器相关函数 (如编码器零位校准、方向设置等)

#endif // ENCODER_SENSOR_H


// 示例驱动层实现 (motor_driver.c, current_sensor.c, encoder_sensor.c)
// 这里只提供 motor_driver.c 的部分示例：

// motor_driver.c
#include "motor_driver.h"

MotorDriver_InitTypeDef motor_driver_config;

void MotorDriver_Init(MotorDriver_InitTypeDef *driver_config) {
    motor_driver_config = *driver_config; // 复制配置参数

    // 初始化 PWM 通道
    PWM_InitTypeDef pwm_init;
    pwm_init.frequency = 20000; // 20kHz PWM 频率 (根据实际需求调整)
    pwm_init.duty_cycle = 0.0f; // 初始占空比为 0
    pwm_init.polarity = PWM_POLARITY_HIGH; // 高电平有效 (根据实际驱动器逻辑调整)

    pwm_init.channel = motor_driver_config.pwm_u_channel;
    HAL_PWM_Init(&pwm_init);
    pwm_init.channel = motor_driver_config.pwm_v_channel;
    HAL_PWM_Init(&pwm_init);
    pwm_init.channel = motor_driver_config.pwm_w_channel;
    HAL_PWM_Init(&pwm_init);

    // 初始化使能 GPIO
    GPIO_InitTypeDef gpio_init;
    gpio_init.port = motor_driver_config.enable_port;
    gpio_init.pin = motor_driver_config.enable_pin;
    gpio_init.mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    gpio_init.pull = GPIO_PULL_NONE;
    HAL_GPIO_Init(&gpio_init);
    MotorDriver_Disable(); // 初始状态禁用驱动器

    // ... 初始化方向 GPIO (如果需要)
}

void MotorDriver_SetDutyCycle(float duty_u, float duty_v, float duty_w) {
    HAL_PWM_SetDutyCycle(motor_driver_config.pwm_u_channel, duty_u);
    HAL_PWM_SetDutyCycle(motor_driver_config.pwm_v_channel, duty_v);
    HAL_PWM_SetDutyCycle(motor_driver_config.pwm_w_channel, duty_w);
}

void MotorDriver_Enable() {
    HAL_GPIO_WritePin(motor_driver_config.enable_port, motor_driver_config.enable_pin, true);
}

void MotorDriver_Disable() {
    HAL_GPIO_WritePin(motor_driver_config.enable_port, motor_driver_config.enable_pin, false);
}

3. 控制层 (Control Layer)

// coordinate_transformation.h
#ifndef COORDINATE_TRANSFORMATION_H
#define COORDINATE_TRANSFORMATION_H

#include <math.h>

// Clarke 变换 (三相 abc -> 两相 alpha-beta)
void clarke_transform(float i_a, float i_b, float i_c, float *i_alpha, float *i_beta);

// Park 变换 (两相 alpha-beta -> 两相 dq, 基于电角度 theta)
void park_transform(float i_alpha, float i_beta, float theta, float *i_d, float *i_q);

// 反 Park 变换 (两相 dq -> 两相 alpha-beta, 基于电角度 theta)
void inverse_park_transform(float v_d, float v_q, float theta, float *v_alpha, float *v_beta);

// 反 Clarke 变换 (两相 alpha-beta -> 三相 abc) - 用于 SVPWM 模块
void inverse_clarke_transform(float v_alpha, float v_beta, float *v_a, float *v_b, float *v_c);

#endif // COORDINATE_TRANSFORMATION_H


// foc_controller.h
#ifndef FOC_CONTROLLER_H
#define FOC_CONTROLLER_H

#include "coordinate_transformation.h"
#include "encoder_sensor.h"
#include "current_sensor.h"
#include "motor_driver.h"

// PI 控制器结构体
typedef struct {
    float kp;          // 比例增益
    float ki;          // 积分增益
    float integral_term; // 积分项累积值
    float output_limit;  // 输出限幅
} PI_Controller_t;

// 初始化 PI 控制器
void PI_Controller_Init(PI_Controller_t *controller, float kp, float ki, float output_limit);

// PI 控制器计算
float PI_Controller_Update(PI_Controller_t *controller, float setpoint, float feedback, float dt);

// FOC 控制器结构体
typedef struct {
    PI_Controller_t id_controller; // d 轴电流环 PI 控制器
    PI_Controller_t iq_controller; // q 轴电流环 PI 控制器
    float voltage_limit;         // 电压矢量幅值限制
    float last_theta_elec;       // 上一次电角度 (用于速度计算)
} FOC_Controller_t;

// 初始化 FOC 控制器
void FOC_Controller_Init(FOC_Controller_t *controller);

// FOC 控制器运行 (电流环控制)
void FOC_Controller_Run(FOC_Controller_t *controller, float i_d_ref, float i_q_ref, float dt);

// 设置 FOC 控制器参数
void FOC_Controller_SetParameters(FOC_Controller_t *controller, float id_kp, float id_ki, float iq_kp, float iq_ki, float voltage_limit);

#endif // FOC_CONTROLLER_H


// svpwm.h
#ifndef SVPWM_H
#define SVPWM_H

// SVPWM 模块
void SVPWM_GenerateDutyCycles(float v_alpha_ref, float v_beta_ref, float *duty_u, float *duty_v, float *duty_w);

#endif // SVPWM_H


// 示例控制层实现 (coordinate_transformation.c, foc_controller.c, svpwm.c)
// 示例 coordinate_transformation.c :

// coordinate_transformation.c
#include "coordinate_transformation.h"

void clarke_transform(float i_a, float i_b, float i_c, float *i_alpha, float *i_beta) {
    *i_alpha = i_a;
    *i_beta  = (i_a / sqrtf(3.0f)) + (2.0f / sqrtf(3.0f)) * i_b; // 简化公式，假设 i_a + i_b + i_c = 0
}

void park_transform(float i_alpha, float i_beta, float theta, float *i_d, float *i_q) {
    *i_d = i_alpha * cosf(theta) + i_beta * sinf(theta);
    *i_q = -i_alpha * sinf(theta) + i_beta * cosf(theta);
}

void inverse_park_transform(float v_d, float v_q, float theta, float *v_alpha, float *v_beta) {
    *v_alpha = v_d * cosf(theta) - v_q * sinf(theta);
    *v_beta  = v_d * sinf(theta) + v_q * cosf(theta);
}

void inverse_clarke_transform(float v_alpha, float v_beta, float *v_a, float *v_b, float *v_c) {
    *v_a = v_alpha;
    *v_b = (-0.5f) * v_alpha + (sqrtf(3.0f) / 2.0f) * v_beta;
    *v_c = (-0.5f) * v_alpha - (sqrtf(3.0f) / 2.0f) * v_beta;
}


// 示例 foc_controller.c (部分代码):

// foc_controller.c
#include "foc_controller.h"
#include "encoder_sensor.h"
#include "current_sensor.h"
#include "motor_driver.h"
#include "svpwm.h"

FOC_Controller_t foc_controller;

void FOC_Controller_Init(FOC_Controller_t *controller) {
    controller->voltage_limit = 1.0f; // 默认电压幅值限制为 1.0 (对应 PWM 占空比 100%)
    PI_Controller_Init(&controller->id_controller, 1.0f, 0.1f, controller->voltage_limit); // 初始化 d 轴电流环 PI 控制器
    PI_Controller_Init(&controller->iq_controller, 1.0f, 0.1f, controller->voltage_limit); // 初始化 q 轴电流环 PI 控制器
    controller->last_theta_elec = 0.0f; // 初始化上一次电角度
    foc_controller = *controller; // 复制配置
}

void FOC_Controller_Run(FOC_Controller_t *controller, float i_d_ref, float i_q_ref, float dt) {
    float i_u, i_v, i_w;
    float i_alpha, i_beta, i_d, i_q;
    float v_d_ref, v_q_ref, v_alpha_ref, v_beta_ref;
    float duty_u, duty_v, duty_w;
    float theta_elec;

    // 1. 读取电流传感器值
    CurrentSensor_GetPhaseCurrents(&i_u, &i_v, &i_w);

    // 2. 读取编码器电角度
    theta_elec = EncoderSensor_GetElectricalAngle();

    // 3. Clarke 变换 (abc -> alpha-beta)
    clarke_transform(i_u, i_v, i_w, &i_alpha, &i_beta);

    // 4. Park 变换 (alpha-beta -> dq)
    park_transform(i_alpha, i_beta, theta_elec, &i_d, &i_q);

    // 5. 电流环 PI 控制器
    v_d_ref = PI_Controller_Update(&controller->id_controller, i_d_ref, i_d, dt);
    v_q_ref = PI_Controller_Update(&controller->iq_controller, i_q_ref, i_q, dt);

    // 6. 电压矢量限幅 (可选，简化版本可以忽略)
    float v_ref_magnitude = sqrtf(v_d_ref * v_d_ref + v_q_ref * v_q_ref);
    if (v_ref_magnitude > controller->voltage_limit) {
        v_d_ref = v_d_ref * controller->voltage_limit / v_ref_magnitude;
        v_q_ref = v_q_ref * controller->voltage_limit / v_ref_magnitude;
    }

    // 7. 反 Park 变换 (dq -> alpha-beta)
    inverse_park_transform(v_d_ref, v_q_ref, theta_elec, &v_alpha_ref, &v_beta_ref);

    // 8. SVPWM 调制 (alpha-beta -> duty cycles)
    SVPWM_GenerateDutyCycles(v_alpha_ref, v_beta_ref, &duty_u, &duty_v, &duty_w);

    // 9. 设置 PWM 占空比
    MotorDriver_SetDutyCycle(duty_u, duty_v, duty_w);

    controller->last_theta_elec = theta_elec; // 更新上一次电角度
}


// 示例 svpwm.c (简化版本，基于六步调制):

// svpwm.c
#include "svpwm.h"
#include <math.h>

void SVPWM_GenerateDutyCycles(float v_alpha_ref, float v_beta_ref, float *duty_u, float *duty_v, float *duty_w) {
    float v_ref_angle = atan2f(v_beta_ref, v_alpha_ref); // 参考电压矢量角度
    if (v_ref_angle < 0) {
        v_ref_angle += 2 * M_PI; // 角度归一化到 0 - 2PI
    }
    float v_ref_mag = sqrtf(v_alpha_ref * v_alpha_ref + v_beta_ref * v_beta_ref); // 参考电压矢量幅值
    if (v_ref_mag > 1.0f) v_ref_mag = 1.0f; // 限幅 (占空比最大 100%)

    int sector = (int)(v_ref_angle / (M_PI / 3.0f)) + 1; // 计算扇区 (1-6)
    if (sector > 6) sector = 1;

    float t1 = v_ref_mag * sinf((float)sector * M_PI / 3.0f - v_ref_angle) / sinf(M_PI / 3.0f);
    float t2 = v_ref_mag * sinf(v_ref_angle - (float)(sector - 1) * M_PI / 3.0f) / sinf(M_PI / 3.0f);
    float t0 = 1.0f - t1 - t2; // 零矢量时间

    float duty_a, duty_b, duty_c;

    switch (sector) {
        case 1: duty_a = (t1 + t2 + t0 / 2.0f); duty_b = (t2 + t0 / 2.0f);       duty_c = (t0 / 2.0f);       break;
        case 2: duty_a = (t1 + t0 / 2.0f);       duty_b = (t1 + t2 + t0 / 2.0f); duty_c = (t0 / 2.0f);       break;
        case 3: duty_a = (t0 / 2.0f);       duty_b = (t1 + t2 + t0 / 2.0f); duty_c = (t2 + t0 / 2.0f);       break;
        case 4: duty_a = (t0 / 2.0f);       duty_b = (t1 + t0 / 2.0f);       duty_c = (t1 + t2 + t0 / 2.0f); break;
        case 5: duty_a = (t2 + t0 / 2.0f);       duty_b = (t0 / 2.0f);       duty_c = (t1 + t2 + t0 / 2.0f); break;
        case 6: duty_a = (t1 + t2 + t0 / 2.0f); duty_b = (t0 / 2.0f);       duty_c = (t1 + t0 / 2.0f);       break;
        default:duty_a = 0; duty_b = 0; duty_c = 0; break;
    }

    *duty_u = duty_a;
    *duty_v = duty_b;
    *duty_w = duty_c;
}

4. 应用层 (Application Layer)

// main.c
#include "system_init.h"
#include "foc_controller.h"
#include "encoder_sensor.h"
#include "current_sensor.h"
#include "motor_driver.h"
#include "hal_timer.h"
#include "hal_gpio.h"

// 定义全局变量
FOC_Controller_t foc_controller;
EncoderSensor_InitTypeDef encoder_sensor_config;
CurrentSensor_InitTypeDef current_sensor_config;
MotorDriver_InitTypeDef motor_driver_config;
TIMER_InitTypeDef control_loop_timer_config;

volatile float target_iq_current = 0.5f; // 目标 q 轴电流 (示例值)
volatile float control_loop_dt = 0.0001f; // 控制环周期 0.1ms (10kHz)

// 控制环定时器中断回调函数
void ControlLoop_IRQHandler(void) {
    // FOC 控制器运行
    FOC_Controller_Run(&foc_controller, 0.0f, target_iq_current, control_loop_dt);
}

int main(void) {
    System_Init(); // 系统初始化

    // 初始化编码器传感器配置
    encoder_sensor_config.encoder_interface = ENCODER_INTERFACE_1; // 假设使用编码器接口 1
    encoder_sensor_config.ppr = 1024; // 假设编码器 PPR 为 1024
    encoder_sensor_config.pole_pairs = 7; // 假设电机极对数为 7
    EncoderSensor_Init(&encoder_sensor_config);

    // 初始化电流传感器配置 (需要根据实际硬件参数配置)
    current_sensor_config.current_u_channel = ADC_CHANNEL_1;
    current_sensor_config.current_v_channel = ADC_CHANNEL_2;
    current_sensor_config.sensitivity = 0.1f; // 示例灵敏度 0.1A/V
    current_sensor_config.offset = 0.0f; // 示例零点偏移 0V
    CurrentSensor_Init(&current_sensor_config);

    // 初始化电机驱动器配置 (需要根据实际硬件连接配置)
    motor_driver_config.pwm_u_channel = PWM_CHANNEL_1;
    motor_driver_config.pwm_v_channel = PWM_CHANNEL_2;
    motor_driver_config.pwm_w_channel = PWM_CHANNEL_3;
    motor_driver_config.enable_port = GPIO_PORT_A;
    motor_driver_config.enable_pin = GPIO_PIN_0;
    MotorDriver_Init(&motor_driver_config);

    // 初始化 FOC 控制器
    FOC_Controller_Init(&foc_controller);
    FOC_Controller_SetParameters(&foc_controller, 2.0f, 0.2f, 2.0f, 0.2f, 1.0f); // 设置 PI 参数和电压限幅

    // 初始化控制环定时器
    control_loop_timer_config.instance = TIMER_1; // 假设使用定时器 1
    control_loop_timer_config.prescaler = 72 - 1; // 假设系统时钟 72MHz, 预分频 72, 定时器时钟 1MHz
    control_loop_timer_config.period = 100 - 1; // 计数周期 100, 定时器频率 10kHz (1/100us = 10kHz)
    HAL_Timer_Init(&control_loop_timer_config);
    HAL_Timer_SetInterruptCallback(TIMER_1, ControlLoop_IRQHandler); // 设置中断回调函数
    HAL_Timer_EnableInterrupt(TIMER_1); // 使能定时器中断
    HAL_Timer_Start(TIMER_1); // 启动定时器

    MotorDriver_Enable(); // 使能电机驱动器

    while (1) {
        // 主循环中可以处理其他任务，如参数调整、状态监控、通信等
        // 这里示例简单电流环控制，目标 q 轴电流固定
    }
}


// system_init.c (示例系统初始化)
#include "system_init.h"
#include "hal_gpio.h"
#include "hal_timer.h"
#include "hal_adc.h"
#include "hal_encoder.h"

void System_Init(void) {
    // 初始化系统时钟 (根据具体的硬件平台配置)
    // 例如，配置时钟源、PLL、分频器等
    // ...

    // 初始化 GPIO 外设时钟
    // ...

    // 初始化 PWM 外设时钟
    // ...

    // 初始化 ADC 外设时钟
    // ...

    // 初始化 Encoder 外设时钟
    // ...

    // 初始化 Timer 外设时钟
    // ...

    // 初始化 NVIC (中断向量控制器)
    // ...

    // ... 其他系统初始化操作 (如外设初始化顺序、默认参数加载等)
}

开发流程概述

1. 需求分析和系统设计: 明确项目需求，设计系统架构、模块划分、接口定义等。
2. 硬件平台搭建和验证: 选择合适的硬件平台，搭建电路，验证硬件功能 (如 PWM 输出、ADC 采样、编码器读取等)。
3. HAL 层和驱动层开发: 根据硬件平台，编写 HAL 层代码，实现底层硬件驱动。然后，基于 HAL 层，编写驱动层代码，封装硬件操作，提供更高级的接口。
4. 控制层算法实现: 实现 FOC 控制算法，包括坐标变换、PI 控制器、SVPWM 等模块。
5. 应用层程序开发: 编写主程序，进行系统初始化、参数配置、任务调度、控制循环执行等。
6. 系统集成和测试: 将各个模块集成在一起，进行系统级测试，包括功能测试、性能测试、稳定性测试等。
7. 参数整定和优化: 根据测试结果，调整控制参数 (如 PI 控制器参数)，优化系统性能。
8. 代码审查和文档编写: 进行代码审查，确保代码质量和可读性。编写详细的文档，包括代码注释、用户手册、开发文档等。
9. 维护和升级: 对系统进行维护，修复 Bug，根据需求进行功能升级和扩展。

技术和方法验证

本项目中采用的技术和方法都是经过实践验证的，例如：

• 分层模块化架构: 广泛应用于嵌入式系统开发，能够提高代码的可维护性和可扩展性。
• 手写 FOC 代码: 通过手写代码，能够深入理解 FOC 控制原理，为后续的优化和改进打下基础。
• PI 控制器: 经典的控制算法，在电机控制领域应用广泛，易于实现和调试。
• SVPWM: 高效的 PWM 调制技术，能够提高电机驱动效率和降低谐波。
• 编码器反馈: 常用的位置和速度传感器，能够实现高精度的闭环控制。
• 定时器中断: 利用定时器中断实现精确的控制周期，保证控制系统的实时性。

总结

以上代码框架和示例代码片段为您提供了一个超迷你 FOC 驱动器的软件设计方案。完整的 3000 行代码将包含更详细的 HAL 层和驱动层实现 (根据具体的硬件平台)，更完善的控制层算法 (例如更高级的 SVPWM 算法、弱磁控制等)，以及更全面的应用层功能 (例如参数配置接口、故障诊断和处理、上位机通信等)。

这个项目的设计目标是简单易懂和入门首选，因此代码重点在于清晰的结构和详细的注释，而不是追求极致的性能和复杂的功能。通过这个项目，初学者可以快速入门 FOC 控制，并在此基础上进行更深入的学习和实践。

希望这份详细的架构设计和代码示例能够帮助您理解和实现超迷你 FOC 驱动器的软件部分。如果您有任何疑问或需要进一步的帮助，请随时提出！