无刷电机Foc控制

foc控制简介

一.知识点简介

1. 什么是foc

• FOC(Field-Oriented Control)：直译是磁场定向控制，也被称作矢量控制(VC，Vector Control)，是目前无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)高效控制的最优方法之一
• FOC旨在通过精确地控制磁场大小与方向，使得电机的运动转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应

1. 无刷电机

• 有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转，线圈电流方向的交替变化是由电机转动的换相器和电刷来完成的
• 无刷电机使用电力电子技术实现了电流的逆变（直流变交流），没有了电刷这个结构，所以叫做无刷电机
• 无刷电机可以分为无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)，其结构大同小异，主要区别在于制造方式(线圈绕组方式)不同导致的一些特性差异，比如反电动势的波形
• 无刷电机主要使用三相逆变电路来实现电流的换向，如下图，其组合方式主要有8种(000、001、010、011、100、101、110、111)，注意上下桥不可同时导通，否则会造成短路
  

1. 其他

• clark变换：根据基尔霍夫电流定律，我们只需要知道三个相电流中的两个便可；于是将电流矢量置与平面坐标系后我们可以通过clark变换将其转换为以两个正交矢量为基准来进行标示
• park变换：因为经过clark变换得来的两个电流矢量依旧是正弦波的模式，则经过park变换可以使得其成为两个常矢量
• PID控制：比例积分微分控制
• 空间电压矢量：三相电路中形成了三个电压矢量，将这三个矢量合成一个矢量后，该矢量指向的位置便是磁场方向，该矢量转动便会带动转子进行运动
• SVPWM：通过周期性地在不同空间电压矢量之间切换，并且合理配置不同基向量在一个周期的占空比，合成等效的任意空间电压矢量

二.foc控制原理

1. 采集三相线圈其中两相的电流矢量Ia、Ib(最后一相Ic可以通过基尔霍夫电流定律计算得出)，将其输入至clark变换模块，经过处理后可得到两个正交的时变电流矢量I1和I2
2. 将以上得出的两个正交时变电流矢量I1、I2输入至park变换模块，经过处理后可得到两个正交的常矢量Id和Iq
3. 将以上得出常矢量输入至PI控制器，经过处理后输出要作用于电机的电压矢量Vd和Vq
4. 将以上得到的电压矢量经过逆park和逆clark变换后，通过SVPWM技术对电机进行下一步控制
5. 总结：以上为foc中电流闭环控制的大概流程，主要目的是将三个电流矢量转换为两个电流常矢量，然后将这两个常矢量进行PID处理后再逆转换为三个电压矢量，最后通过SVPWM技术对电机进行控制，进行这样处理的主要目的应是进行PID处理以及以SVPWM技术控制电机，以实现闭环

三.其他

1. 电流环是foc控制的最内环，其主要用到了三个环，从内到外为电流环、速度环、位置环
2. 主要作用为：电流反馈来控制电机电流(扭矩) -> 然后通过控制扭矩来控制电机的转速 -> 再通过控制电机的转速控制电机位置

具体原理可参考该博客：https://zhuanlan.zhihu.com/p/147659820