项目简介
大家好！这次继续分享我参加 2026 机器人模块大赛的项目进度。
这次设计的是一块用于控制 4310 电机的 FOC 控制板。为了配合电机本体的安装空间，PCB 采用圆形外形，并把主控、三相功率驱动、电流采样、转子位置反馈、辅助电源和调试接口集中在一块板上，尽量减少外部接线，让电机与控制器能够更紧凑地组合在一起。
目前原理图与 PCB 布局布线已经基本完成，下面主要分享这版控制板的硬件方案、布局思路以及后续调试计划。
一、FOC 控制方案
FOC（磁场定向控制）的核心，是将采集到的三相电流经过 Clarke、Park 变换转换到旋转坐标系中，再分别控制励磁电流和转矩电流，最后通过 SVPWM 驱动三相逆变桥。相比简单的方波控制，FOC 能让 4310 电机运行得更加平稳，同时改善低速控制、噪声和转矩输出表现。
整块控制板主要由以下部分组成：
- 主控单元：负责电流采样、坐标变换、电流环运算、SVPWM 输出以及后续速度环和位置环控制；
- 三相功率单元：由三组半桥构成逆变器，根据 PWM 信号驱动 4310 电机的 U、V、W 三相绕组；
- 栅极驱动单元：连接主控与功率 MOSFET，完成上下桥臂驱动和必要的死区控制；
- 电流采样单元：采集电机相电流，为 FOC 电流环和过流判断提供依据；
- 位置反馈单元：获取转子角度，为电角度计算、启动定位和闭环控制提供反馈；
- 电源与接口单元：为主控、驱动和传感器提供低压电源，同时预留通信、下载及调试接口。
二、PCB 整体设计
（一）圆形板框与功能分区
为了贴合 4310 电机的结构，控制板采用圆形外形。板边预留了安装孔和定位槽，三相功率器件靠近电机相线连接位置集中布置，主控与小信号电路放在中下部，辅助电源及接口则分别安排在板侧。
从 3D 视图可以看到，功率级、主控和接口都被压缩在圆形板框内。这样的结构能缩短控制板到电机之间的连接，但也会带来几个比较明显的挑战：
- 三相桥臂开关电流大，需要控制功率回路面积；
- 电流采样和角度反馈信号较敏感，要避开高频开关节点；
- 圆形板边、安装孔和开槽会压缩走线与铺铜空间；
- MOSFET、驱动和辅助电源集中后，需要同时考虑散热与信号完整性。
因此，这一版布局并不是单纯追求器件摆得紧凑，而是先确定三相功率回路，再围绕功率级安排驱动、采样和主控。
（二）三相逆变桥布局
三相逆变桥是整块 FOC 控制板的功率核心。三组上下桥臂尽量采用一致的器件方向与连接方式，并靠近电机三相输出端布置，从而缩短 U、V、W 相线在 PCB 上的路径。
布局时重点关注以下几个方面：
- 直流母线到三相桥臂的供电路径尽量短而宽，减少寄生电阻和电感；
- 上下桥臂及其附近的母线电容形成紧凑回路，降低 MOSFET 开关时的电压尖峰；
- 栅极驱动走线保持短、直接，并尽量让三组桥臂的走线形式一致；
- 开关节点铜皮只保留满足载流和散热所需的面积，避免向主控与采样区域扩展；
- 功率器件周围通过铺铜和过孔帮助电流分布与散热。
三组桥臂布局的一致性很重要。如果某一相的栅极回路明显更长，或者相线铜皮形状差异过大，就可能造成三相开关特性不一致，增加调试难度。
（三）电流采样与转子位置反馈
FOC 是否能稳定运行，很大程度上取决于电流和转子角度这两类反馈信号。
电流采样部分靠近功率回路布置，采样信号则尽量以成对、短距离的方式送入后级电路和 MCU ADC，减少大电流压降及开关噪声对测量结果的影响。采样地与功率地的连接也需要谨慎处理，避免 MOSFET 回流电流经过小信号参考点。
位置反馈区域围绕电机轴心进行布置，使传感位置与电机机械中心相对应。该区域的信号线尽量远离三相开关节点和栅极驱动走线，为后续准确获取机械角度、计算电角度和进行零位标定打好基础。
（四）主控、电源与调试接口
主控位于板内相对独立的区域，周围集中安排去耦、时钟、下载和通信相关电路。板侧预留了 USB Type-C、连接器以及多处测试焊盘，方便固件下载、参数调试和关键波形测量。
辅助电源与三相功率级分区布置，为主控、栅极驱动及传感电路提供所需电压。辅助电源本身也是开关噪声源，因此其高频回路同样需要保持紧凑，并避免干扰电流采样与位置反馈区域。
三、布线、铺铜与散热处理
下面是其中一面的 PCB 布局布线视图。可以看到，三相功率区域使用了较大面积的铜皮，板上也布置了较多过孔，用于连接不同层的地与功率铜皮。
在布线过程中，我主要按照以下思路处理：
- 功率路径优先，先完成母线、三相桥臂与相线输出，再处理控制信号；
- 栅极驱动与电流采样就近布置，避免关键模拟信号跨越功率回路；
- 主控数字地、模拟采样参考和功率回流按功能分区，并在规划的位置连接；
- MCU 去耦电容紧贴电源引脚，驱动电源去耦紧贴栅极驱动器；
- 在板边、功率器件周围以及地平面连接较弱的位置增加过孔；
- 安装孔和开槽附近重新检查回流路径，防止铜皮被切割后形成狭窄通道。
另一面的铜皮主要配合功率分配、地回流和散热。对于圆形控制板，不能只看铺铜面积是否足够，还要检查电流从电源入口到桥臂、再返回母线的实际路径是否连续。
由于 4310 电机在启动、加速和堵转时都可能产生较大的相电流，后续除了测 MOSFET 温升，也需要关注连接器、过孔阵列以及局部铜皮颈缩位置的发热情况。
四、当前进度与设计检查
目前完成的是 PCB 设计阶段，电流环参数、最大相电流、输出转矩、效率和温升都还需要等样板焊接完成后进行实测。
提交打样前，我会继续重点检查以下内容：
- 三组桥臂的 MOSFET 方向、栅极网络和相线网络是否完全正确；
- 栅极驱动电源、自举电路及上下桥臂控制信号是否连接正确；
- 电流采样极性是否与固件中的电流方向定义一致；
- 位置反馈器件与电机机械中心是否对齐；
- 电源入口、母线电容和功率回流路径是否存在不必要的颈缩；
- 安装孔、板边、阻焊桥及器件高度是否满足装配要求。
FOC 板的硬件错误往往会在上电后直接反映到功率级，所以在打样前多检查一遍，比后续更换 MOSFET 和返修细间距器件轻松得多。
五、下一步调试计划
板子回来后，计划按照由低风险到闭环运行的顺序逐步调试：
- 在限流电源下检查辅助电源、主控和驱动电源，确认各路静态电压正常；
- 暂不连接电机，检查三相 PWM、死区时间和上下桥臂栅极波形；
- 校准电流采样零点，检查三相采样方向、噪声和 ADC 同步时序；
- 读取转子机械角度，确认旋转方向，并完成机械零位与电角度标定；
- 低母线电压下进行开环转动，确认 U、V、W 相序和功率级工作正常；
- 依次闭合 d/q 轴电流环、速度环和位置环，逐步增加电流与负载；
- 进行启动、加减速、堵转保护和长时间运行测试，记录电流纹波、母线波形及器件温升。
这块板真正的目标，是让 4310 电机获得平稳、安静且可控的转矩输出。PCB 设计只是第一步，后续电流采样校准、角度对齐和控制环参数整定同样关键。等板子完成打样并跑通 FOC 后，我会继续分享波形和实际运行效果，也欢迎大家对这版布局与调试方案提出建议！