基于3514无感FOC控制方式快速调转电机（五）- 电机控制错误报警介绍

发表于 2025-12-7 20:48

目前3514无感FOC V1.0例程包含以下保护选项：

1. 母线电压过压保护：

1.1. 保护触发条件

if(Motor->Foc.s16Vbus > DCBUS_OVER)

检测对象：Motor->Foc.s16Vbus（直流母线电压测量值）
检测条件：母线电压 > 过压阈值
单向检测：只检测过压，与欠压保护形成互补

1.2. 时间累计机制

Motor->User.stc_fault.u16_OvCnt ++;
if(Motor->User.stc_fault.u16_OvCnt > Motor->User.stc_fault.u16_OvTime)

计数累加：每次检测到过压就+1
时间阈值：u16_OvTime = OV_TIME = 10（10个PWM周期）
防抖动：需要持续过压才触发，PWM频率：16000Hz；PWM周期：1/16000 = 62.5μs；过压时间阈值：10 × 62.5μs = 625μs（0.625ms）

1.3. 过压的原因分析

1.3.1. 再生制动引起

电机减速或重载下降时，能量回馈到母线
可能导致母线电压升高
特别是大惯性负载快速减速时

1.3.2. 电源异常

电源电压本身过高
电源调整器故障
电池充电器故障

1.3.3. 硬件故障

制动电阻开路或失效
母线电容失效
电压采样电路故障

2. 母线电压欠压保护：

2.1. 保护触发条件

if(Motor->Foc.s16Vbus < DCBUS_UNDER)

检测对象：Motor->Foc.s16Vbus（直流母线电压测量值）
检测条件：母线电压 < 欠压阈值

2.2. 阈值计算

#define DCBUS_UNDER     Q15(20.0f/UDC_MAX)
#define UDC_MAX         (69.3f)     // 单位：V，最大母线电压

实际计算：20.0f / 69.3f ≈ 0.2886
Q15值：0.2886 × 32767 ≈ 9456
物理意义：当母线电压低于20V时触发欠压保护

2.3. 时间累计机制

#define UV_TIME                                     10      // unit：times pwm cycles

//在Init_Parameter函数初始化中有执行
Motor->User.stc_fault.u16_UvCnt = 0;
Motor->User.stc_fault.u16_UvTime = UV_TIME;

//在Fault检测中判断
Motor->User.stc_fault.u16_UvCnt ++;
if(Motor->User.stc_fault.u16_UvCnt > Motor->User.stc_fault.u16_UvTime)

计数累加：每次检测到欠压就+1
时间阈值：u16_UvTime = UV_TIME = 10（10个PWM周期）
防抖动：需要持续欠压才触发，避免瞬时干扰;PWM频率：16000Hz,PWM周期：1/16000 = 62.5μs

欠压时间阈值：10 × 62.5μs = 625μs（0.625ms）这意味着：电压低于20V持续超过0.625ms才触发保护

2.4. 恢复机制

else {
    Motor->User.stc_fault.u16_UvCnt = 0;
}

自动清零：电压恢复正常时立即清零计数器
自恢复：瞬时欠压不会累积
滞后消除：避免在阈值附近频繁触发

2.5. 为什么需要欠压保护？

2.5.1. 电压不足的危害

当母线电压过低时：

1. 输出功率不足：P = V × I，电压低需要更大电流

2. 电流过大：可能导致过流、过热

3. 控制失稳：电压余量不足，电流环可能饱和

4. 调制异常：SVPWM可能产生畸变

2.6. 保护范围对比：

保护类型	阈值	物理意义	危害
欠压保护	20V	电压过低	功率不足、电流过大
过压保护	48V	电压过高	器件击穿、过应力
硬件极限	69.3V	最大耐受	立即损坏

3. 软件过流保护：

3.1. 保护触发条件

检测对象：U相和V相电流（三相取两相即可）
检测条件：任意一相电流绝对值 ≥ 过流阈值
使用两相：三相系统中，检测两相即可知道第三相（三相平衡时）

3.2. 阈值计算

实际计算：5.0f / 16.46f ≈ 0.3038
Q15值：0.3038 × 32767 ≈ 9957
物理意义：当相电流超过5A时触发软件过流保护

3.3. 时间累计机制

#define OC_TIME               10      // unit：times pwm cycles

//在Init_Parameter函数初始化中有执行
Motor->User.stc_fault.u16_OcCnt = 0;
Motor->User.stc_fault.u16_OcTime = OC_TIME;

//在Fault检测中判断
Motor->User.stc_fault.u16_OcCnt ++;
if(Motor->User.stc_fault.u16_OcCnt > Motor->User.stc_fault.u16_OcTime)

计数累加：每次检测到过流就+1
时间阈值：u16_OcTime = OC_TIME = 10（10个PWM周期）
防抖动：需要持续过流才触发，避免瞬时干扰；PW**M频率：16000Hz，PWM周期：1/16000 = 62.5μs，过流时间阈值：10 × 62.5μs = 625μs（0.625ms）
对比电流环带宽：

电流环通常几千Hz带宽，响应时间<1ms；0.625ms的保护响应足够快

4. 超速保护：

4.1. 保护触发条件

检测对象：Motor->Foc.s16q15SpdObs（系统验证后的速度反馈值）
检测条件：速度绝对值 ≥ 超速阈值
abs绝对值处理：无论正转反转，超速都触发保护

4.2. 时间累计机制

#define OS_TIME               10      // unit：times pwm cycles

//在Init_Parameter函数初始化中有执行
Motor->User.stc_fault.u16_OsCnt = 0;
Motor->User.stc_fault.u16_OsTime = OS_TIME;

//在Fault检测中判断
Motor->User.stc_fault.u16_OsCnt ++;
if(Motor->User.stc_fault.u16_OsCnt > Motor->User.stc_fault.u16_OsTime)

计数累加：每次检测到超速就+1
时间阈值：u16_OsTime = OS_TIME = 10（10个PWM周期）
防抖动：不是一次超速就触发，需要持续超速；PWM频率：16000Hz，PWM周期：1/16000 = 62.5μs；超速时间阈值：10 × 62.5μs = 625μs（0.625ms）这意味着：速度超过阈值持续超过0.625ms才触发保护

4.3. 恢复机制

else {
    Motor->User.stc_fault.u16_OsCnt = 0;
}

自动清零：速度低于阈值时立即清零计数器
自恢复：瞬时超速不会累积，系统可自动恢复
抗干扰：避免噪声或瞬态干扰误触发

4.4. 使用 `Foc.s16q15SpdObs` 的原因

使用已验证的速度值，确保：

1. 可靠性：避免SMO未收敛时的错误速度

2. 稳定性：经过滤波，减少噪声影响

3. 一致性：与速度环使用同一速度源

对比方向检查：

方向检查：需要最快响应 → 用原始值(stc_SmoPara)

超速保护：需要最可靠 → 用验证值(Foc)

4.5. 与方向检查的对比

特性	方向错误检查	超速保护
检测变量	`stc_SmoPara.s16q15SpdOb`	`Foc.s16q15SpdObs`
检测内容	方向符号	速度大小
时间阈值	10个周期(0.625ms)	10个周期(0.625ms)
紧急程度	极高（方向反了很危险）	高（超速会损坏设备）
使用值类型	原始值（最快）	验证值（最可靠）

4.6. 实际应用场景

场景1：正常加速

指令：0 → 3500RPM（超过3000RPM限值）

观测：跟随上升，达到3100RPM

结果：超速保护触发，停止加速

场景2：负载突卸

运行在2800RPM，负载突然消失

速度飙升至3200RPM

结果：超速保护触发，减速或停机

场景3：观测器错误

实际速度2500RPM，但观测器输出3300RPM

结果：超速保护误触发（这是必要的安全措施）

5. 速度反馈错误：

5.1. 功能概述

闭环运行状态下，通过检测在连续的一段时间内，观测器估算的速度方向与系统期望的速度方向是否相反。如果持续相反，则认为发生了严重的控制故障（SPEED_FDBK故障）。

5.2. 详细逻辑分析

//正向运行时的方向检查
if(Motor->Foc.s16SpdCmd > 0 &&          		// 设定目标速度为正（正向运行）
   Motor->stc_SmoPara.s16q15SpdObs < 0 && 		// 观测速度为负（反向）
   eM1_RunSubState == RunState_Spin)    		// 且处于闭环状态
{
    Motor->User.stc_fault.u16_PllErrCnt ++;
    if(Motor->User.stc_fault.u16_PllErrCnt > Motor->User.stc_fault.u16_PllErrTime)
    {
        Motor->User.stc_fault.u16_Fault** = SPEED_FDBK;
    }
}
//反向运行时的方向检查
else if(Motor->Foc.s16SpdCmd < 0 &&     		// 设定目标速度为负（反向运行）
        Motor->stc_SmoPara.s16q15SpdObs > 0 && 	// 观测速度为正（正向）
        eM1_RunSubState == RunState_Spin)   	// 且处于闭环状态
{
    Motor->User.stc_fault.u16_PllErrCnt ++;
    if(Motor->User.stc_fault.u16_PllErrCnt > Motor->User.stc_fault.u16_PllErrTime)
    {
        Motor->User.stc_fault.u16_Fault** = SPEED_FDBK;
    }
}
//方向正确时的处理
else 
{
    Motor->User.stc_fault.u16_PllErrCnt = 0;  // 清零错误计数器
}

5.3. 时间累计机制

#define PLLERR_TIME       10      // unit：times pwm cycles
#define PWMFREQ           16000   // unit:Hz 载波频率

//在Init_Parameter函数初始化中有执行
Motor->User.stc_fault.u16_PllErrTime = PLLERR_TIME;

//在Fault检测中判断
if(Motor->User.stc_fault.u16_PllErrCnt > Motor->User.stc_fault.u16_PllErrTime)
{
    Motor->User.stc_fault.u16_Fault** = SPEED_FDBK;
}

u16_PllErrTime：10个PWM周期
PWM周期时间：1/16000 = 62.5μs
故障触发时间：10 × 62.5μs = 625μs（0.625ms）

这意味着：方向错误持续超过0.625ms就会触发故障。

5.4. 作用

5.4.1. 无传感器控制的特殊风险

在无感FOC中，角度完全由观测器估算。如果观测器出错，可能导致：

角度估算反向：180°错误
控制反向：想正转实际反转
能量回馈：电机变成发电机，损坏驱动器

5.4.2. 典型故障场景

故障场景	指令速度	观测速度	物理现象
正常正转	+1000RPM	+950RPM	正常误差
角度失锁	+1000RPM	-200RPM	观测器反向
参数错误	-500RPM	+300RPM	控制反向
接线错误	+800RPM	-800RPM	相序错误

5.4.3. 与其他保护的区别

堵转检测：速度低 + 电流大

方向检测：速度方向相反（即使速度值相近）

例如：

堵转：指令+1000RPM，观测+50RPM，电流大

方向错误：指令+1000RPM，观测-1000RPM，电流可能正常

5.5. 产生原因

滑模观测器参数错误（SMO增益不合适）
锁相环失锁（PLL参数错误）
电机参数不匹配（Rs、Ls错误）
速度指令突变过大
负载突变导致观测器失稳

本人实测在实际调试过程中，前三种原因产生的的概率很大，建议遇到此故障时，可以重点排查。

5.6. 与锁相环（PLL）的关系

虽然变量名是 u16_PllErrCnt，但这里检测的是观测器速度方向错误，而不是严格的PLL错误。这是因为：

在无感FOC中，角度和速度通常由SMO+PLL共同估算
PLL负责：平滑角度，提取速度
方向错误可能源自：

SMO反电动势估算错误
PLL锁定到错误频率
角度计算中的象限错误

5.7. 实际应用建议

5.7.1. 调整检测阈值

// 当前：10个PWM周期（0.625ms）可能太敏感
// 建议：增加到50-100个周期（3-6ms）

#define PLLERR_TIME       80      // 增加到80个周期（5ms）

5.7.2. 增加容错机制

// 在速度过零时增加死区
if (abs(Motor->Foc.s16SpdCmd) < MIN_SPEED_THRESHOLD || 
    abs(Motor->stc_SmoPara.s16q15SpdObs) < MIN_SPEED_THRESHOLD) {
    // 速度接近零时，不进行方向检查
    Motor->User.stc_fault.u16_PllErrCnt = 0;
}

5.7.3. 分级检测

// 不同速度段不同灵敏度
if (abs(Motor->Foc.s16SpdCmd) > HIGH_SPEED_THRESHOLD) {
    // 高速时更敏感
    error_time_threshold = 5;  // 5个周期
} else {
    // 低速时放宽
    error_time_threshold = 20; // 20个周期
}

6. 堵转保护：

6.1. 获取当前PI控制器的动态限幅值

Motor->stc_Stall.s16IqMax = Motor_type.stc_SpdPi.s32_Umax;
Motor->stc_Stall.s16IqMin = Motor_type.stc_SpdPi.s32_Umin;

目的：获取速度环PI控制器的当前有效输出限幅
深层意义：速度环的限幅 s32_Umax/Umin可能不是固定的，而是：
- 根据母线电压动态调整（电压前馈）
- 根据温度降额
- 根据运行模式变化
- 这代表当前允许的最大/最小转矩电流。
为什么需要：失速检测需要知道当前允许的转矩电流范围，作为判断是否发生堵转的参考基准。

6.2. 获取当前转矩指令

Motor->stc_Stall.s16IqCmd = Motor_type.Foc.stc_IdqCmd.s16q15_Q;

目的：记录系统当前想要输出的转矩大小
意义：IqCmd是速度环的输出，反映了控制器为达到目标速度而"努力"的程度

6.3. 执行失速检测算法

u8ErrorTemp = stall_check(&Motor->stc_Stall, 
                          Motor->Foc.u16q15Vdq_sqrt, 
                          Motor->stc_SmoPara.s16q15SpdObs);

调用 stall_check函数进行具体的失速判断，传入三个关键参数：

参数1：失速检测结构体 `&Motor->stc_Stall`

包含了：当前Iq指令、Iq限幅、历史状态、计数器等
这是检测的主体配置

参数2：电压矢量幅值 `Motor->Foc.u16q15Vdq_sqrt`

物理意义：当前控制器输出的电压大小
Q15格式：最大值为1.0（对应32767）
检测逻辑：
- 如果电压接近最大值但速度上不去 → 可能堵转
- 电压利用率 = u16q15Vdq_sqrt / 最大可用电压

参数3：观测器估算速度 `Motor->stc_SmoPara.s16q15SpdObs`

单位：Q15格式的定点数
为什么重要：
- 失速的核心判断依据就是"速度过低"
- 观测器估算的速度比编码器反馈更可靠（如果无传感器）
- 即使有传感器，观测器估算值也可以作为冗余验证

6.4. 故障触发

if( u8ErrorTemp != 0 )
{
    Motor->User.stc_fault.u16_Fault** = STALL_SPEED;
}

STALL_SPEED 是一个预定义的故障代码（如 0x0004）
故障标志会触发保护动作，如：
- 停止PWM输出
- 进入故障处理状态

6.5. 为什么要在 `RunState_Spin` 状态下检测？

6.5.1. 不同状态的不同策略：

启动阶段 (RunState_Start)：

允许低速大电流（正常启动过程）
失速检测阈值更高或禁用

旋转状态 (RunState_Spin)：

正常运行时，应该维持稳定速度
对失速更敏感
需要及时检测机械卡死

停止阶段：

不需要失速检测
可能检测是否异常转动

6.6. 综合判断的维度

体现了多维度综合判断的工业级保护策略：

维度	参数	正常情况	堵转情况
电流维度	`s16IqCmd` vs `s16IqMax`	电流指令适中	电流接近最大限幅
电压维度	`u16q15Vdq_sqrt`	电压利用率合理	电压接近最大值
速度维度	`s16q15SpdObs`	速度稳定在目标值	速度远低于目标
时间维度	`u16ErrorCnt`	瞬时波动会清零	异常持续累积

6.7. 实际应用场景

机械卡死：传送带被异物卡住
过载启动：负载突然变得太重
电气故障：缺相或绕组短路
控制异常：参数错误导致振荡

6.8. 保护的意义

这种检测不只是简单的"速度低就报错"，而是：

避免误报：启动、变速时允许暂时异常
提前预警：在完全堵死前就能检测
分级保护：可能有多级阈值对应不同保护动作
系统保护：防止电机和驱动器损坏

7. 总结

以上是3514 无感FOC V1.0版本目前关于错误状态检测的逻辑分析，以及在调试过程产生错误的原因分析判断。

发表于 2025-12-30 08:05

过压和欠压保护的机制很详细，这对于防止电机因电压异常而损坏非常有帮助。

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