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[电机控制专用MCU] APM32M3514 FOC算法解析系列——第2篇：状态机模块解析

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 楼主| a976209770 发表于 2024-12-26 22:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
FOC, FOC算法, 状态机, 模块
本帖最后由 a976209770 于 2024-12-26 22:58 编辑

1. 主状态机和子状态机概述

在 APM32M3514 电机控制系统中，状态机是实现不同电机控制功能的关键。它通过主状态（MainState_*）和子状态（RunState_*）之间的切换，管理电机的启动、运行、故障处理等不同阶段。
代码结构
  • 主状态：管理系统的高层行为，如初始化、停止、运行和故障处理。
  • 子状态：管理运行阶段中的各个步骤，如校准、准备、对准、启动、旋转、空转。
关键文件：
  • StateMachine.c：主状态机逻辑的实现。
  • StateMachine.h：状态和子状态的定义。


2. 主状态机的实现
在 APM32M3514 中，主状态机控制着系统的各个阶段，它通过 枚举类型 来定义不同的状态。

2.1 主状态定义在 StateMachine.h 中，主状态通过枚举类型进行定义：
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  1. typedef enum {
    

  2.     MainState_Init = 0,   // 初始化状态
    

  3.     MainState_Stop,       // 停止状态
    

  4.     MainState_Run,        // 运行状态
    

  5.     MainState_Fault       // 故障状态
    

  6. } MainState_TypeDef;
2.2 主状态切换
主状态的切换逻辑通常通过 switch 语句进行判断，并在不同条件下执行状态转移。

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  1. MainState_TypeDef mainState = MainState_Init;  // 默认进入初始化状态
    


  2. 

  3. // 状态机主循环
    

  4. while (1) {
    

  5.     switch (mainState) {
    

  6.         case MainState_Init:
    

  7.             // 执行初始化操作
    

  8.             System_Init();
    

  9.             mainState = MainState_Stop;  // 初始化完成后切换到停止状态
    

  10.             break;
    


  11. 

  12.         case MainState_Stop:
    

  13.             // 执行停止操作，等待启动命令
    

  14.             if (start_command) {
    

  15.                 mainState = MainState_Run;  // 收到启动命令，切换到运行状态
    

  16.             }
    

  17.             break;
    


  18. 

  19.         case MainState_Run:
    

  20.             // 执行运行逻辑，电机工作
    

  21.             RunMotor();
    

  22.             if (fault_detected) {
    

  23.                 mainState = MainState_Fault;  // 如果检测到故障，切换到故障状态
    

  24.             }
    

  25.             break;
    


  26. 

  27.         case MainState_Fault:
    

  28.             // 执行故障处理
    

  29.             HandleFault();
    

  30.             if (reset_command) {
    

  31.                 mainState = MainState_Stop;  // 故障处理完成后，切换到停止状态
    

  32.             }
    

  33.             break;
    


  34. 

  35.         default:
    

  36.             // 默认状态
    

  37.             mainState = MainState_Init;
    

  38.             break;
    

  39.     }
    

  40. }

2.3 主状态切换条件
  • MainState_Init 到 MainState_Stop：
    • 通过 System_Init() 函数完成系统初始化，初始化完成后切换到 MainState_Stop。
  • MainState_Stop 到 MainState_Run：
    • 在停止状态下，系统等待用户启动命令（如通过按键或串口命令）。接收到启动命令后，系统切换到运行状态。
  • MainState_Run 到 MainState_Fault：
    • 在运行过程中，如果发生故障（如过流、过压等），则通过 fault_detected 标志进入故障状态 MainState_Fault。
  • MainState_Fault 到 MainState_Stop：
    • 故障处理完成后，接收到复位命令 reset_command 后，系统切换回停止状态。

3. 子状态机的实现
在 MainState_Run 状态下，系统会根据不同的条件进入多个子状态。这些子状态用于处理电机的不同运行阶段，如电流校准、准备、对准、启动和旋转。

3.1 子状态定义
子状态通过枚举类型进行定义，放在 StateMachine.h 中：
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  1. typedef enum {
    

  2.     RunState_Calib = 0,    // 校准状态
    

  3.     RunState_Ready,        // 准备状态
    

  4.     RunState_Align,        // 对准状态
    

  5.     RunState_Startup,      // 启动状态
    

  6.     RunState_Spin,         // 旋转状态
    

  7.     RunState_Freewheel     // 空转状态
    

  8. } RunState_TypeDef;

3.2 子状态切换
在 StateMachine.c 中，子状态的切换通常通过条件判断和执行相应的操作来实现。
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  1. RunState_TypeDef runState = RunState_Calib;  // 默认进入校准状态
    


  2. 

  3. // 运行状态子状态机
    

  4. while (mainState == MainState_Run) {
    

  5.     switch (runState) {
    

  6.         case RunState_Calib:
    

  7.             // 执行电流校准
    

  8.             CalibrateCurrent();
    

  9.             runState = RunState_Ready;  // 校准完成后切换到准备状态
    

  10.             break;
    


  11. 

  12.         case RunState_Ready:
    

  13.             // 执行准备操作，确保电机处于可运行状态
    

  14.             PrepareMotor();
    

  15.             runState = RunState_Align;  // 准备完成后切换到对准状态
    

  16.             break;
    


  17. 

  18.         case RunState_Align:
    

  19.             // 执行电机对准操作
    

  20.             AlignMotor();
    

  21.             runState = RunState_Startup;  // 对准完成后切换到启动状态
    

  22.             break;
    


  23. 

  24.         case RunState_Startup:
    

  25.             // 执行开环启动操作
    

  26.             StartupMotor();
    

  27.             runState = RunState_Spin;  // 启动完成后切换到旋转状态
    

  28.             break;
    


  29. 

  30.         case RunState_Spin:
    

  31.             // 电机进入闭环运行，进行转速控制
    

  32.             SpinMotor();
    

  33.             if (stop_command) {
    

  34.                 runState = RunState_Freewheel;  // 如果收到停止命令，切换到空转状态
    

  35.             }
    

  36.             break;
    


  37. 

  38.         case RunState_Freewheel:
    

  39.             // 电机进入空转状态，等待停机
    

  40.             FreewheelMotor();
    

  41.             runState = RunState_Ready;  // 空转完成后，返回准备状态
    

  42.             break;
    


  43. 

  44.         default:
    

  45.             runState = RunState_Calib;  // 默认状态，回到校准状态
    

  46.             break;
    

  47.     }
    

  48. }

3.3 子状态切换条件
  • RunState_Calib 到 RunState_Ready：
    • 校准完成后，系统进入准备状态，准备执行电机的其他操作。
  • RunState_Ready 到 RunState_Align：
    • 电机准备好后，进入对准状态，确保电机转子和定子磁场对齐。
  • RunState_Align 到 RunState_Startup：
    • 电机完成对准后，进入启动状态，执行开环启动。
  • RunState_Startup 到 RunState_Spin：
    • 电机启动完成后，进入旋转状态，闭环控制开始。
  • RunState_Spin 到 RunState_Freewheel：
    • 如果接收到停止命令，电机进入空转状态，等待停止。
  • RunState_Freewheel 到 RunState_Ready：
    • 电机停止后，进入准备状态，准备再次启动。

4. 状态机的工作流程
4.1 系统流程图
通过主状态和子状态之间的切换，整个系统能够根据电机的不同工作阶段执行相应的控制逻辑。以下是整个状态机的简化流程图：

系统流程图.png

5. 状态机的交互与集成
状态机通过与主程序的主循环和外设驱动模块的交互，实现电机的高效控制。在整个流程中，状态机负责控制系统的高层次行为，而外设驱动层则负责具体的硬件操作（如PWM控制、ADC采样等）。

状态机与外设驱动层的交互
  • PWM控制：根据当前子状态（如 RunState_Spin），状态机通过设置PWM输出控制电机的转速。
  • ADC采样：状态机在 RunState_Spin 等状态下触发ADC采样，用于反馈电流和电压，保证电机在闭环控制下运行。
中断管理状态机还通过中断处理（如TMR1中断、ADC中断等）与外设驱动层协作，确保系统实时响应电流和速度变化。例如，ADC中断会触发电流采样并更新电机控制参数。

6. 总结
通过结合实际代码，详细解析了 APM32M3514 电机控制系统中的主状态机和子状态机的工作原理。主状态机负责电机控制的高层逻辑，而子状态机则通过细化控制步骤，管理电机的每个操作阶段。





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