基于凌鸥LKS32MC037的鱼缸用FOC潜水泵控制器详解

基于凌鸥LKS32MC037的鱼缸用FOC潜水泵控制器详解

随着生活水平的提高，室内养鱼越来越普及，这推动了鱼缸内小型潜水泵市场的发展。早期的鱼缸潜水泵大多采用方波驱动控制器，但随着技术进步和芯片成本下降，基于无感FOC算法的潜水泵控制器已逐渐成熟并实现大规模量产。本文将详细介绍这种新型控制器的技术原理和实现方法。

FOC控制器的优势

新型的正弦波FOC控制器相比早期的方波控制器具有以下优势：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

技术实现

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。

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故障检测模块组成。

• Static_machine程序模块：主要由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McPWM0_IRQhandler()中断处理函数组成，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控制算法

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. 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）是一种用于跟踪信号频率和相位的闭环控制技术。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。

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;
   }
}

硬件原理图

批量生产的原理图。