一、为什么需要三段式 FOC 启动

lesson17/18 已实现 速度外环 + DQ 电流内环 + SVPWM，电角度 θ 来自 霍尔 6 态 + TIM5 扇区内插值。但在 转子静止或极低速 时，存在两个根本矛盾：

问题	原因	后果
θ 不更新	霍尔只在转子转过 60° 电角度时才跳变	Park 变换用的 θ 与实际转子位置脱节
无法直接闭环	电流环需要准确 θ 才能解耦 Id/Iq	一上电就 s 1 / w 1，电机抖动、堵转或倒转

lesson16 已说明：不是 PI 公式错，而是 零速时霍尔给不了连续 θ。
本章在 lesson18 工程基础上，增加工业界常用的 三段式启动，解决「从静止到稳定闭环」的衔接。
硬件输出：Align/Drag 与 Run 均走 六步桥单占空比（接口 2）；SVPWM 仅在 Run 中作 FreeMASTER 扇区监视，不驱动三相 CCR。

1.1 三段式启动是什么

借鉴无感 BLDC「预定位 → 外同步加速 → 自同步切换」思路，结合 霍尔 FOC 特点，本章划分为：

阶段	英文名	θ 来源	执行方式	目标
1 定位	Align	当前霍尔扇区中心	六步固定占空比（lesson4 开环，不用 FOC）	转子对齐到已知扇区
2 拖转	Drag	软件插值 θ（扇区中心 + 步内比例）	六步定时/边沿换相 + duty 斜坡	加速到霍尔边沿可靠
3 运行	Run	霍尔 + TIM5 插值（lesson17）	FOC 速度/电流双环 + |V|→单占空比（六步板）	稳定闭环调速

说明：Align/Drag 在野火六步桥上刻意不用 InvPark/SVPWM（与真实导通相不匹配）；Run 阶段才是完整 FOC 双环。SVPWM 模块仍参与 扇区监视（FreeMASTER），硬件输出走 lesson17 的 |V| 映射——与 lesson11 同级 PWM 利用率，

1.2 与六步「三段启动」的区别

野火官方 六步换相 例程也有「定位 → 升频换相 → 霍尔闭环」，本章在此基础上叠加 FOC 运行阶段：

• Align/Drag：与 lesson4 相同六步开环（定位 duty + 拖转换相序），但维护 开环 θ 供监视与交接；
• Drag 期间 motor_set_openloop_comm() 强制换相步，霍尔已跟上时可提前对齐；
• Run：θ 切回霍尔插值，启用 速度→Iq→电流 PI→InvPark 双环，输出 |V|→单占空比；
• 切换条件（bsp_foc_boot.c，拖转满 FOC_BOOT_DRAG_MIN_MS=600 后，满足任一）：
  • 霍尔边沿 ≥ 2 且 RPM ∈ [60, target+120]（下限至少到 200）；
  • 或强拖步数 ≥ 18 且边沿 ≥ 2 且 RPM 同上。

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二、实验简介

2.1 本章目标

在 lesson18 工程基础上新增 bsp_foc_boot.c 三段式启动状态机：

• w 1 / s 1 时 自动 执行 Align → Drag → Run，无需手动开环 v 命令；
• FreeMASTER 监视 g_fm_boot_stage（0 idle / 1 align / 2 drag / 3 run / 4 fail）；
• 拖转失败（10 s 超时）触发 fault=3 并关断；
• 运行阶段保留 lesson17 速度环 + DQ 电流环；六步板上 Run 输出为 |V|→单占空比（lesson18 SVPWM 作扇区监视）。

2.2 硬件

与 lesson4~18 相同：野火骄阳 F407 + 无刷驱动板 + 霍尔 BLDC，「无刷电机驱动接口 2」排线。

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三、程序设计

3.1 目录结构（相对 lesson18 新增/变更）

User/
├── foc/
│   ├── bsp_foc_boot.c/h   ★ 三段式启动状态机（本章核心）
│   ├── bsp_foc.c/h        ★ θ 在 Align/Drag 改读开环角
│   └── bsp_svpwm.c/h      （lesson18 沿用，Run 仅监视）
├── pid/
│   └── bsp_pid_app.c/h    ★ 启停时触发 foc_boot_request()；Run 用 |V|→duty
├── tim/
│   └── bsp_motor_tim.c/h  ★ motor_set_openloop_comm() 强制换相
└── main.c

3.2 状态机流程

阶段 1：定位（Align）

1. 读当前霍尔态，motor_set_openloop_comm(1, hall) 强制该步六步换相；
2. 施加固定占空比 FOC_BOOT_ALIGN_DUTY=1200（不用 FOC / 不用 Vd）约 FOC_BOOT_ALIGN_MS=500 ms。

阶段 2：拖转（Drag）

1. 按霍尔正转序 1→3→2→6→4→5→1 定时换相（速率 4→22 Hz 斜坡）+ 占空比 1200→4000（每周期 +80）；
2. 若下一霍尔态已到位，则 提前同步 强制换相步（转子跟上时不再盲拖）；
3. 切换条件见 1.2（最短拖转 600 ms）；超时 10 s → fail=3。
4. Run 阶段才启用 FOC 双闭环（Clark/Park → PI → InvPark → |V|→duty）。

阶段 3：运行（Run）

• foc_get_electrical_theta()：Align/Drag 读 foc_boot_get_theta()，Run/Idle 恢复霍尔 + TIM5 插值；
• foc_spd_poll：速度环 → g_fm_target_iq；
• dq_curr_poll：电流环 → Vd/Vq → InvPark → dq_apply_vmag_sixstep_output()（六步板）；
• svpwm_calc() 仅更新 g_fm_svpwm_sector 等监视量，不 set 三相独立 CCR 驱动桥臂。

3.3 关键代码

启动请求（bsp_foc_boot.c）

/**
 * @brief FOC三段式启动：启动请求触发函数
 * @note 当系统收到电机启动指令时调用，进入三段式启动流程第一阶段【转子定位Align】
 *       适用：带霍尔传感器BLDC/内置霍尔PMSM，霍尔原始扇区作为初始位置依据
 *       三段式启动流程：ALIGN定位 → DRAG开环拖转 → RUN霍尔闭环FOC
 */
void foc_boot_request(void)
{
    // 1. 实时读取当前霍尔电平，获取霍尔原始扇区编号(0~5 六扇区)
    hall = motor_hall_read_now();

    // 2. 将开环换相步长初始化为当前霍尔扇区
    //    开环拖转阶段会基于该变量持续递增实现强制换相
    s_openloop_step = hall;

    // 3. 根据当前霍尔扇区，计算该扇区中心点电角度
    //    目的：定位阶段向中心点角度施加恒定电压，把转子牢牢吸附到该角度
    s_theta = foc_boot_hall_center_theta(hall);

    // 4. 启动状态机切换至【转子对齐阶段 ALIGN】(三段式第1阶段)
    s_stage = FOC_BOOT_ALIGN;

    // 5. 配置开环换相模式，参数1：使能开环；hall：初始霍尔扇区基准
    motor_set_openloop_comm(1U, hall);

    // 6. 施加对齐占空比，输出恒定矢量电压，执行转子定位
    //    持续通电一段时间(例500ms)，保证转子机械角度收敛到目标角度
    foc_boot_apply_duty(FOC_BOOT_ALIGN_DUTY);

    // ...后续省略：对齐阶段定时计时、超时后自动跳入开环拖转DRAG阶段
}

拖转阶段 θ 插值与切换（bsp_foc_boot.c）

/* 扇区中心 + 步内比例，供 foc_get_electrical_theta() 在 Drag 期间读取 */
s_theta = foc_boot_hall_center_theta(s_openloop_step);
s_theta += (sub_ratio - 0.5f) * (FOC_PI / 3.0f);

/* 切换：边沿≥2 且 RPM≥60，或强拖步数≥18 且边沿≥2 */
if (s_hall_edges >= FOC_BOOT_HANDOVER_EDGES && rpm >= FOC_BOOT_HANDOVER_RPM)
  foc_boot_enter_run();

θ 来源切换（bsp_foc.c）

float foc_get_electrical_theta(void)
{
  if (foc_boot_is_active())   /* Align / Drag */
    return foc_boot_get_theta();
  /* 霍尔 + TIM5 插值 ... */
}

开环强制换相（bsp_motor_tim.c）

if (s_openloop_comm)
  bldcm_commutate(s_openloop_step);
else
  bldcm_commutate(get_hall_state());

模块	lesson11	lesson17	lesson18	lesson19（本章）
速度外环	✓ 直出 PWM	✓→Iq	✓	✓（Run 阶段）
输出映射	PWM 0~5500	|V|→单占空比	七段 SVPWM	Run：|V|→单占空比（六步板）
SVPWM	—	—	✓	仅 FreeMASTER 扇区监视
电角度	霍尔换相	霍尔中心	霍尔+插值	拖转开环 θ + 运行霍尔
启动	无	无	无	三段式状态机

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四、调参与串口命令

4.1 串口（与 lesson18 相同，启动自动化）

命令	含义
t 500	目标 RPM 500
w 1	开速度环（自动三段式启动 → 闭环）
s 1	仅电流环（同样走三段式启动）
s 0	关断并重校电流零偏
pid	打印状态（含 boot_stage）
?	帮助

推荐首次上电流程：

1. 上电等待 cal=1（电流零偏完成）
2. t 500 → w 1
3. 观察串口：FOC boot start → align done -> drag → FOC boot handover
4. FreeMASTER 看 g_fm_boot_stage 从 1→2→3

4.2 FreeMASTER 建议通道

变量	含义
g_fm_boot_stage	0 idle / 1 align / 2 drag / 3 run / 4 fail
g_fm_boot_theta_deg	开环/运行电角度
g_fm_boot_omega	拖转等效电角速度（由换相频率换算）
g_fm_boot_hall_edges	拖转阶段霍尔边沿计数
g_fm_target_rpm / g_fm_actual_rpm	速度环（Run 后）
g_fm_iq_actual	拖转/运行 Iq 反馈

4.3 现场整定参数（与 bsp_foc_boot.c 一致）

宏	默认值	说明
FOC_BOOT_ALIGN_MS	500	定位时间 (ms)
FOC_BOOT_ALIGN_DUTY	1200	定位六步占空比（不是 Vd）
FOC_BOOT_DRAG_DUTY_MAX	4000	拖转占空比上限
FOC_BOOT_DRAG_DUTY_RAMP	80	拖转每周期 duty 增量
FOC_BOOT_DRAG_RATE_INIT_HZ	4	拖转换相初频 (Hz)
FOC_BOOT_DRAG_RATE_MAX_HZ	22	拖转换相最高频
FOC_BOOT_DRAG_MIN_MS	600	允许切换前最短拖转时间
FOC_BOOT_HANDOVER_RPM	60	切换最低 RPM
FOC_BOOT_HANDOVER_EDGES	2	切换最少霍尔边沿
FOC_BOOT_HANDOVER_STEPS	18	强拖步数备选切换条件
FOC_BOOT_DRAG_TIMEOUT_MS	10000	拖转超时 (ms)
FOC_BOOT_RUN_STALL_GRACE_MS	4000	Run 交接后堵转保护放宽

README 旧稿中的 FOC_BOOT_ALIGN_VD_V / FOC_BOOT_DRAG_IQ_MA / FOC_BOOT_OMEGA_MAX 在本工程中不存在（Align/Drag 不走 Vd/Iq FOC）。

常见问题：

• 拖转超时 fail=3：提高 FOC_BOOT_DRAG_DUTY_MAX / 加快 FOC_BOOT_DRAG_RATE_*，或略降 FOC_BOOT_HANDOVER_RPM
• Run 后转速卡在 ~350、改 t 无效：确认 Run 走的是 dq_apply_vmag_sixstep_output（|V|），不是三相 SVPWM 直驱；可 t 700 再 w 1 复测
• 仍低于 lesson11：FOC 双环有电流限幅，属正常；可略增 FOC_SPD_IQ_FF_PER_RPM 或速度环 kp
• 转一点就停 / 彻底不转：先 s 0 再 t 600 + w 1；查看是否 Stall；交接后 4 s 内堵转保护放宽
• 定位时反转：检查霍尔线序与 MOTOR_FWD 方向

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五、实验现象

5.1 预期波形

1. Align（~500 ms）：θ 恒定，六步 duty=1200，转子轻微锁定；
2. Drag（_0.5数 s）：θ 随换相步进爬升，g_fm_boot_omega 随换相频率上升，霍尔边沿计数递增；
3. Run：g_fm_boot_stage=3，RPM 跟踪 g_fm_target_rpm，Iq 由电流环调节。

5.2 VOFA+ 三通道

• 速度模式：RPM_SP / RPM_ACT / Iq
• 电流模式：Iq_SP / Iq_ACT / PWM

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六、本章小结

要点	内容
问题	零速时霍尔 θ 不更新，无法直接 FOC 闭环
方案	Align 六步定位 → Drag 六步开环拖转 → Run 霍尔 FOC（|V|→duty）
新增文件	bsp_foc_boot.c/h
改动点	bsp_foc.c θ 切换、bsp_motor_tim.c 开环换相、bsp_pid_app.c 启停挂钩与 |V| 输出
下一章	lesson20：迁到 接口 1，Align/Drag/Run 全程 真 SVPWM（不是无感观测器）

至此，野火霍尔 BLDC 接口 2 上的 FOC 双闭环 + 可靠三段启动 链路已完整。。

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