简介：这份资源面向嵌入式电机控制初学者与工程师，提供一套基于STM32F103ZE、MS8313三轴陀螺仪与AS5600磁性旋转编码器的FOC角度控制实现方案，且不引入电流环，专注角度闭环控制，适合希望快速上手FOC、简化控制逻辑的开发者参考。压缩包共1131个文件，约21.13MB，以C源码与头文件为主体（567个.c、250个.h），并包含IAR工程配置、启动文件、数学库、编译产物及少量说明文档，覆盖从算法实现到工程构建的完整链路。资源中涉及FOC坐标变换、传感器角度读取与串口设定角度等关键环节，可帮助读者理解无电流环条件下如何完成电机角度控制，并对照工程结构快速移植到自有硬件。目前已有504人学习下载，适合作为FOC入门与工程搭建的实践参考。
1. 无电流环的 FOC 到底能不能跑：从 stm32f103ze 到 as5600 的最小系统
很多人第一次听到「无电流环 FOC」都会愣一下：FOC 的核心不就是把定子电流解耦成 Id、Iq 两个分量分别控制吗，没有电流采样还叫 FOC？我一开始也这么想，直到在一个小功率云台电机上试了一版，才发现事情没那么玄学。用 stm32f103ze 做主控，驱动芯片用 ms8313，位置反馈用 as5600 磁编码器，整套硬件成本压得很低，跑起来之后电机确实能平滑转动、能定位、能低速爬行，只是动态响应和抗扰能力比带电流环的版本差一截。
这套方案适合谁？适合手里只有一块 F103 板子、想先把 FOC 的坐标变换和 SVPWM 跑通的人，适合做云台、风扇、小泵这类负载变化慢、对转矩精度要求不高的场景。它不适合做需要快速加减速或者堵转力矩控制的场合，因为无电流环意味着你根本不知道实际电流是多少，只能靠电压开环去「猜」。这篇笔记就按我实际搭这套系统时的顺序，把原理、配置、代码和踩过的坑讲清楚，让你能照着复现一遍。
2. 为什么敢去掉电流环：ms8313 与 as5600 的选型逻辑
2.1 无电流环 FOC 的本质是电压开环、角度闭环
标准 FOC 的控制链路是：采样三相电流 → Clarke 变换 → Park 变换 → 两个 PI 调节器分别控制 Id、Iq → 反 Park → SVPWM。去掉电流环之后，Id、Iq 的 PI 环节整个消失，你直接给定 Vd、Vq 两个电压分量，经过反 Park 变换和 SVPWM 输出到电机。角度信息仍然来自 as5600，所以 Park 变换和反 Park 变换用的 θ 是真实的，这就是「角度闭环」的部分。
那为什么还能转？因为在小功率、低转速下，电机的定子电阻压降和反电动势占主导，电感上的动态压降相对小，你给一个固定的 Vq，电机大致就能产生一个和 Vq 成正比的转矩。转速越低、负载越轻，这个近似越成立。一旦转速拉高或者负载突变，电感压降和反电动势变化剧烈，开环电压就跟不上了，表现为转矩脉动、失步甚至堵转。
提示：无电流环不等于没有保护。ms8313 本身有过流和过热保护，但那是芯片级的最后一道防线，不能当作控制手段。
2.2 ms8313 在这套系统里扮演什么角色
ms8313 是一颗三相栅极驱动芯片，内部集成三个半桥驱动，输入是六路 PWM，输出直接推 MOS 管。它不负责电流采样，也不做任何运算，所以你不需要为它写复杂的初始化，只要把六路 PWM 接对、使能脚拉高、把死区时间设够就行。
选它的理由很简单：便宜、外围少、和 F103 的 TIM 互补输出天然匹配。F103ZE 的高级定时器 TIM1 和 TIM8 都能输出六路带死区的互补 PWM，正好驱动三个半桥。我一般用 TIM1，因为它的通道分布和引脚复用在我这块板子上走线最顺。
| 参数 | 取值 | 说明 |
|---|---|---|
| PWM 频率 | 20 kHz | 高于人耳听觉上限，减少噪声 |
| 死区时间 | 1 us | 根据 MOS 管开关速度调整 |
| 计数模式 | 中心对齐 | 降低谐波，配合 SVPWM 更自然 |
| 时钟源 | 72 MHz | F103ZE 标准主频 |
2.3 as5600 的安装精度直接决定 FOC 能不能转起来
as5600 是 12 位磁编码器，I2C 输出，分辨率 4096 counts/圈。它的安装有两个硬性要求：第一，磁铁必须和转轴同心，偏心超过 0.5 mm 就会看到角度跳变；第二，磁铁端面和芯片表面的气隙要控制在 0.5 到 3 mm 之间，太近会饱和，太远信号弱。
我踩过最惨的一次坑是磁铁用胶水粘歪了，电机转起来角度读数每隔一圈就跳几十个 count，Park 变换的 θ 跟着抖，电机像得了帕金森一样抖。后来用了一个带中心孔的小夹具把磁铁压正，问题立刻消失。所以在你写任何代码之前，先用示波器或者串口把 as5600 的原始角度打出来，用手匀速转一圈，看读数是不是单调递增、有没有跳变。这一步花十分钟，能省你后面十个小时的调试。
3. 在 stm32f103ze 上把外设配起来：TIM1、I2C 与 SVPWM 的最小配置
3.1 用 CubeMX 生成骨架，但别全信默认值
我一般用 CubeMX 把时钟树、TIM1、I2C1、USART1 配好，生成 HAL 库工程，然后手动改关键寄存器。CubeMX 默认的 PWM 死区是 0，这个必须改；默认的 I2C 速率是 100 kHz，as5600 支持 400 kHz，可以提上去减少读取耗时。
时钟树配置：HSE 8 MHz 晶振，PLL 倍频到 72 MHz，APB2 不分频，TIM1 时钟就是 72 MHz。中心对齐模式下，PWM 频率 = 72 MHz / (2 × ARR × 分频)，要得到 20 kHz，ARR 设为 1800，分频设为 1。
// TIM1 初始化关键片段，中心对齐，20kHz，带死区 TIM_HandleTypeDef htim1; TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC; TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig; htim1.Instance = TIM1; htim1.Init.Prescaler = 0; htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_CENTERALIGNED1; htim1.Init.Period = 1800 - 1; // 72MHz / (2*1800) = 20kHz htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; htim1.Init.RepetitionCounter = 0; htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE; HAL_TIM_PWM_Init(&htim1); sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; sConfigOC.Pulse = 0; // 初始占空比 0 sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH; sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE; sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET; sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET; HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2); HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3); sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_DISABLE; sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_DISABLE; sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF; sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 72; // 72/72MHz = 1us 死区 sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE; sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_HIGH; sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_DISABLE; HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig);这段代码里最需要盯的是DeadTime = 72，它对应 1 us。死区太小会直通炸管，太大会让输出电压失真、低速时转矩脉动明显。我一般先用 1 us 跑，摸 MOS 管温度，如果温热就保持，烫手就加到 1.5 us 再试。
3.2 as5600 的 I2C 读取要避开两个坑
as5600 的 I2C 地址是 0x36，角度寄存器高字节在 0x0C，低字节在 0x0D。读取的时候先写寄存器指针，再读两个字节，拼成 12 位角度。这里有两个坑：第一，HAL 库的HAL_I2C_Mem_Read在某些版本上对重复起始位处理有问题，我一般直接用HAL_I2C_Master_Transmit发指针，再HAL_I2C_Master_Receive读数据；第二，读取频率不要超过 1 kHz，as5600 内部有滤波，读太快会拿到重复值。
// 读取 as5600 原始角度，返回 0~4095 uint16_t AS5600_ReadRawAngle(void) { uint8_t reg = 0x0C; uint8_t buf[2]; HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x36 << 1, ®, 1, 10); HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x36 << 1, buf, 2, 10); return ((uint16_t)(buf[0] & 0x0F) << 8) | buf[1]; }注意buf[0] & 0x0F，因为高字节只有低 4 位有效，高 4 位是状态位。如果你忘了掩码，角度会突然跳到几千，电机跟着抽风。这个坑我见过至少三个人踩过。
3.3 SVPWM 的七段式实现与扇区判断
SVPWM 的目标是给定 Vα、Vβ，算出三个半桥的占空比。我一般用七段式，因为谐波小。步骤是：先算 Vα、Vβ 所在的扇区，再算相邻两个基本矢量的作用时间，最后分配给三个通道。
// 输入 Valpha, Vbeta（标幺值，范围 -1~1），输出三路占空比 void SVPWM_Calc(float Valpha, float Vbeta, float *dutyA, float *dutyB, float *dutyC) { float U1 = Vbeta; float U2 = 0.8660254f * Valpha - 0.5f * Vbeta; // sqrt(3)/2 float U3 = -0.8660254f * Valpha - 0.5f * Vbeta; uint8_t sector = 0; if (U1 > 0) sector |= 0x01; if (U2 > 0) sector |= 0x02; if (U3 > 0) sector |= 0x04; float T1, T2; switch (sector) { case 0x03: T1 = U1; T2 = U2; break; // 扇区 I case 0x01: T1 = -U2; T2 = -U3; break; // 扇区 II case 0x05: T1 = U3; T2 = U1; break; // 扇区 III case 0x04: T1 = -U1; T2 = -U2; break; // 扇区 IV case 0x06: T1 = -U3; T2 = -U1; break; // 扇区 V case 0x02: T1 = U2; T2 = U3; break; // 扇区 VI default: T1 = 0; T2 = 0; break; } // 过调制限幅 if (T1 + T2 > 1.0f) { float k = 1.0f / (T1 + T2); T1 *= k; T2 *= k; } float Ta = (1.0f - T1 - T2) * 0.5f; float Tb = Ta + T1; float Tc = Tb + T2; // 根据扇区把 Ta/Tb/Tc 映射到 A/B/C switch (sector) { case 0x03: *dutyA = Tb; *dutyB = Ta; *dutyC = Tc; break; case 0x01: *dutyA = Ta; *dutyB = Tc; *dutyC = Tb; break; case 0x05: *dutyA = Ta; *dutyB = Tb; *dutyC = Tc; break; case 0x04: *dutyA = Tc; *dutyB = Tb; *dutyC = Ta; break; case 0x06: *dutyA = Tc; *dutyB = Ta; *dutyC = Tb; break; case 0x02: *dutyA = Tb; *dutyB = Tc; *dutyC = Ta; break; default: *dutyA = 0.5f; *dutyB = 0.5f; *dutyC = 0.5f; break; } }这段代码里Valpha、Vbeta是标幺值，范围建议限制在 ±0.95 以内，留一点余量给死区和母线波动。T1 + T2 > 1的限幅是必须的，否则占空比会超过 100%，输出削顶，电流波形直接畸变。映射表里的顺序我调过好几次，写错一个扇区电机就会正反转乱跳，建议你拿一张纸把六个扇区的矢量图手画一遍再对代码。
4. 无电流环下的角度闭环与速度估算：代码怎么写才不抖
4.1 电角度 = 机械角度 × 极对数，但方向要对
as5600 给的是机械角度，FOC 需要的是电角度。电角度 = 机械角度 × 极对数，再对 2π 取模。这里有个容易翻车的点：如果编码器安装方向和电机相序不匹配，电角度会反向，电机要么不转，要么原地抖动。判断方法很简单：手动正转电机，看电角度是不是递增，如果递减就把θ_elec = -θ_mech × pole_pairs取反。
#define POLE_PAIRS 7 #define TWO_PI 6.2831853f float mech_angle = AS5600_ReadRawAngle() * (TWO_PI / 4096.0f); float elec_angle = mech_angle * POLE_PAIRS; // 归一化到 0~2π while (elec_angle >= TWO_PI) elec_angle -= TWO_PI; while (elec_angle < 0) elec_angle += TWO_PI;极对数一定要确认清楚，云台电机常见 7 对极、11 对极，写错了电角度就完全错位。我一般用「手动转一圈数电周期」的办法验证：转一圈机械角，看电角度过了几个 2π，过了几个就是几对极。
4.2 速度估算用差分加低通，别用纯差分
无电流环系统里速度只用来做限幅和简单的阻尼，不需要太准。我一般用角度差分：speed = (angle_now - angle_last) / dt，然后过一个一阶低通。纯差分噪声大，尤其 as5600 有 1 count 的量化误差，低速时速度会跳得厉害。
float speed_raw = (elec_angle - elec_angle_last) / dt; // 处理过零跳变 if (speed_raw > PI) speed_raw -= TWO_PI; if (speed_raw < -PI) speed_raw += TWO_PI; speed_raw /= dt; // 一阶低通，alpha 越小越平滑但延迟越大 float alpha = 0.1f; speed_filt = alpha * speed_raw + (1 - alpha) * speed_filt; elec_angle_last = elec_angle;alpha我一般取 0.05 到 0.2，低速定位取小一点，高速取大一点。这个值没有标准答案，看你电机的转动惯量和噪声水平。
4.3 电压给定用 Vq 开环加角度闭环，Vd 给 0
无电流环的核心控制量就是 Vq。我一般让 Vd = 0，Vq 由一个简单的斜坡或者位置环输出。位置环可以用 P 控制，输出限幅到 ±0.8，防止电压饱和。
// 位置 P 控制，输出 Vq float pos_error = target_angle - mech_angle; // 角度归一化到 -π~π while (pos_error > PI) pos_error -= TWO_PI; while (pos_error < -PI) pos_error += TWO_PI; float Vq = Kp_pos * pos_error; if (Vq > 0.8f) Vq = 0.8f; if (Vq < -0.8f) Vq = -0.8f; float Vd = 0.0f; // 反 Park 变换 float Valpha = Vd * cosf(elec_angle) - Vq * sinf(elec_angle); float Vbeta = Vd * sinf(elec_angle) + Vq * cosf(elec_angle); SVPWM_Calc(Valpha, Vbeta, &dutyA, &dutyB, &dutyC);Kp_pos从 0.5 开始试，太小响应慢，太大直接振荡。我一般先给 0.3，看电机能不能稳定停在目标位置，再慢慢加。如果电机在目标位置附近来回摆，就是 Kp 大了，或者速度阻尼不够。
5. 这套方案最容易翻车的五个地方：避坑与排查
5.1 电机不转，只听到嗡嗡声
现象：上电后电机不转，有低频嗡嗡声，摸 MOS 管发热。 原因：最常见的是相序接错，或者电角度方向反了。相序错会导致合成磁场和转子磁场夹角不对，电机无法产生有效转矩。 解决：先把三相线任意对调两根试一次；如果还不行，把elec_angle取反再试。用串口把电角度和机械角度打出来，手动转一圈看方向。
5.2 低速抖动明显，像步进电机一样一格一格
现象：低速时电机一顿一顿，角度读数看起来正常。 原因：as5600 的量化误差在低速时被放大，加上无电流环没有电流平滑作用，转矩脉动直接体现出来。 解决：把速度低通滤波的alpha调小，位置环Kp降低，或者在 Vq 上叠加一个很小的 dither 信号。根本办法是换更高分辨率的编码器，但成本上去了。
5.3 高速时突然失步，电机停转或反转
现象：转速拉到某个值以上，电机突然失控。 原因：无电流环没有反电动势补偿，高速时反电动势接近母线电压，Vq 给到最大也不够，电流迅速下降，转矩崩溃。 解决：限制最高转速，或者在 Vq 上叠加一个和速度成正比的前馈项。我一般把转速限制在额定转速的 60% 以内，再高就不适合这套方案了。
5.4 as5600 读数偶尔跳变，电机跟着抽一下
现象：电机运行中偶尔抽一下，串口看到角度突然跳几百个 count。 原因：I2C 通信受干扰，或者磁铁安装偏心。长线、电机线和大电流线靠近 I2C 线都会引入噪声。 解决：I2C 线尽量短，加 2.2 kΩ 上拉，远离功率线；磁铁重新对中。如果还跳，在软件里加一个限幅滤波：本次读数和上次差值超过阈值就丢弃。
5.5 上电瞬间炸管
现象：一上电 ms8313 和 MOS 管就冒烟。 原因：死区时间不够，或者互补 PWM 的极性配错，导致上下桥直通。 解决：死区先给 2 us 保守值，确认波形正常再往下调；用示波器看上下桥的栅极波形，确认没有重叠。第一次上电一定要用限流电源，别直接怼母线。
6. 把无电流环 FOC 用稳的几个进阶习惯
如果你已经能让电机转起来，接下来可以试几个提升稳定性的做法。第一个是 Vq 前馈：根据速度估算值，给 Vq 叠加一个Kf * speed_filt的项，补偿反电动势，高速时转矩会明显更稳。第二个是角度预测：as5600 读取有延迟，在两次读取之间用速度外推电角度，elec_angle += speed_filt * dt，能减少高速时的相位滞后。第三个是母线电压补偿：如果母线电压波动，把 Vq 除以实际母线电压做归一化，占空比输出会更准。
验证方法我一般用两种：一是串口打波形，把目标角度、实际角度、Vq、速度四路数据发到上位机看曲线；二是堵转测试，用手捏住电机轴，看 Vq 会不会饱和、电机能不能保持位置。堵转时如果 Vq 很快到限幅且电机发热严重，说明这套无电流环方案已经到边界了，该考虑加电流采样了。
我自己最深的教训是：无电流环 FOC 能跑，但它是一个「差不多」的方案，不是「精确」的方案。我一开始总想把它调到和带电流环一样稳，结果花了大量时间在参数上，最后发现物理上就不成立。后来我接受它的边界，把它用在云台和小风扇上，反而很省心。如果你也打算走这条路，先把角度和 SVPWM 跑通，再慢慢加功能，别一上来就追求高性能。希望帮到你。
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