BLDC電機控制算法——FOC簡述

最近做完了一個直流無刷電機的電機調(diào)速項目，查閱了各種大神所寫的博客和論文，在這里我只做一下小小的總結(jié)：（PS最近有遇到相關(guān)課題，發(fā)現(xiàn)以前的描述并不完整，因此又補充了一些。）

FOC（Filed Oriented Control）是采用數(shù)學(xué)方法實現(xiàn)三相馬達的力矩與勵磁的解耦控制。

主要是對電機的控制電流進行矢量分解，變成勵磁電流I d IdId 和交軸電流I q IqIq ，勵磁電流主要是產(chǎn)生勵磁，控制的是磁場的強度，而交軸電流是用來控制力矩，所以在實際使用過程中，我們常令I(lǐng) d = 0 Id=0Id=0 。之后我將詳細介紹一下這個算法的數(shù)學(xué)原理和一些自己的理解。

#FOC矢量控制總體算法簡述

輸入：位置信息，兩相采樣電流值，（3相電流、電機位置或者電機速度）

輸出：三相PWM波

所需硬件：兩個ADC，一個光電或磁編碼器，主控，依據(jù)電壓等級的不同有mosfet或者IGBT或者SiC功率模塊組成的三個半橋

FOC算法在本質(zhì)上就是一些線性代數(shù)中的矩陣變換，我在這里講述的是有傳感器的FOC算法，轉(zhuǎn)子的位置信息是通過絕對式磁編碼器反饋的，直接是數(shù)字量。

第一步：根據(jù)AD采樣得到兩相電流值；

通過ADC采樣得到電機的兩項電流信息，由于基爾霍夫電流定律，同一個節(jié)點流入電流值與流出電流相等，我們可以計算出。三個電流的相位差為120°。

第二步：通過Clark變換，將三相定子坐標系（三個軸互為120°?）轉(zhuǎn)化為兩相的定子直角坐標系（）

這個過程有點類似于力的矢量分解，把三相映射到兩相的坐標軸之上，如下圖所示。

第三步：通過Park變換將兩相定子坐標系變換到兩相轉(zhuǎn)子坐標系

因為我們主要控制的是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，所以需要通過Park變換將兩相定子坐標系變換到兩相轉(zhuǎn)子坐標系（），本質(zhì)上就是矩陣的旋轉(zhuǎn)變換，在這里，我們用到的轉(zhuǎn)子的位置信息。

該位置信息便是由磁編碼器返回的絕對角度信息，（其實也可以用增量式編碼器，我感覺應(yīng)該只是在電機位置校準的時候需要定義零點，其他的應(yīng)該一樣，我暫時還沒有做過，屬于猜想的，當(dāng)然有的還可以通過無位置的控制方式，通過三相采樣電流值計算轉(zhuǎn)子位置信息，還有需要注意的是得到的是角度信息，我們需要將其轉(zhuǎn)化為電角度信息， 電 角 度 = 角 度 ? 磁 極 對 數(shù) 電角度=角度*磁極對數(shù)電角度=角度?磁極對數(shù)）,其中為勵磁電流分量為轉(zhuǎn)矩電流分量，可以建立兩個PI調(diào)節(jié)器分別對兩個電流分量進行調(diào)節(jié)。

當(dāng)勵磁電流分量為0時，磁通完全由永磁體提供。電機所有的電流全部用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，只用控制就可以控制電機轉(zhuǎn)矩，就實現(xiàn)了電機的靜態(tài)解耦。（其實這里很好理解，根據(jù)左手定則，F(xiàn)=BIL，這個公式中L是電機的固有參數(shù)，B磁通由兩部分組成，一是由永磁體提供，二是由電流變化產(chǎn)生磁場；所以如果我們要實現(xiàn)給定的力距，需要控制單一變量：電流，則需要讓B保持恒定，也就是使）

第四步：根據(jù)PI調(diào)節(jié)器輸出電壓

這里需要注意有一個前提調(diào)節(jié)，那就是你已經(jīng)基本調(diào)通了SVPWM波，電機可以正在旋轉(zhuǎn)了，F(xiàn)OC控制算法主要是電機的穩(wěn)定性控制，而不是電機本體的驅(qū)動。本身的參考值已定，只是根據(jù)給定值與實際返回值得差值調(diào)節(jié)電機的穩(wěn)定性。

在調(diào)參的時候，人為給定?( 參 考 電 流 值 ） ，通過與實時采樣電流比較，調(diào)節(jié)電流環(huán)PID，調(diào)節(jié)的目標是啟動響應(yīng)速度足夠快，平穩(wěn)運動波動足夠小，通過DAC輸出實時采樣電流來進行調(diào)試；

第五步通過反Park變換將(兩相轉(zhuǎn)子坐標系）轉(zhuǎn)換為兩相定子坐標系

第六步：得到之后，通過SVPWM算法計算

SVPWM是磁場定向控制中常用的PWM波調(diào)制技術(shù)。其全稱是空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation）是由三相功率逆變器的六個功率開關(guān)原件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波。理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。

假設(shè)三相電壓分別為，且相互之間相位差為120°，假設(shè)U m 為相電壓的有效值，f為電源頻率，則有：

則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量就可以表示為：

是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，幅值不變，為相電壓的峰值，且以角頻率w=2πf按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，其在三相坐標軸上的投影就是對應(yīng)的三相正弦量。

其實SVPWM算法的原理我也搞得有點懵，不過應(yīng)用上倒是相對簡單，可以把SVPWM算法想象成一個字典，根據(jù)的大小關(guān)系確定輸出值。完全當(dāng)成一個表在查就好了。

FOC算法的優(yōu)點有：

1、當(dāng)負載變化時，速度響應(yīng)快而且精確；

2、電機的瞬時效率高；

3、能實現(xiàn)位置控制；

FOC和PID調(diào)節(jié)的方式參考了

http://bbs.elecfans.com/jishu_546001_1_1.html

主要為先調(diào)試內(nèi)環(huán)之后調(diào)試外環(huán)；

1、首先應(yīng)該調(diào)試ADC和編碼器，看是否可以得到正確的采樣電流和編碼器數(shù)值；

2、調(diào)試FOC算法中的SVPWM環(huán)節(jié)，認為的給定兩個值，看電機是否運行，確保SVPWM沒問題

3、 人為給定參考值，通過實時采樣電流，調(diào)節(jié)電流環(huán)的PID，調(diào)節(jié)的目標是啟動響應(yīng)速度足夠快，平衡運行波動足夠小，通過DAC輸出實時的采樣電流來進行觀測調(diào)試（這里我直接在算法中讓為0，所以只給定的值）。

4、人為給定速度，調(diào)試速度環(huán)PID，輸出，調(diào)節(jié)的目標是根據(jù)在足夠?qū)挼乃俣确秶鷥?nèi)平穩(wěn)啟動和運行?？梢圆捎脤＜襊ID算法；

5、位置環(huán)調(diào)節(jié)，輸出為速度，調(diào)節(jié)目標，從一個位置快速的到達另一個位置來回跑，停止靜差足夠小，速度增減足夠快，即瞬時速度大且需要合理的根據(jù)位置路徑的長度規(guī)劃一個速度曲線。

注意：如果要達到較高的速度精度，可能需要針對不同的速度值設(shè)置不同的速度PID參數(shù)，且需要進一步實時的調(diào)節(jié)觀測器、PLL及速度PID參數(shù)。

其他的一些知識總結(jié)：

FOC與DTC控制區(qū)別（參考知乎一位大神的）：

來源：https://www.zhihu.com/question/265079828/answer/291686684

FOC（電機矢量控制）要求嚴格的轉(zhuǎn)子磁場定向，對于BLDC電機而言轉(zhuǎn)子磁場方向始終與轉(zhuǎn)子位置一致，因此其控制輸入需要準確的轉(zhuǎn)子絕對位置信號

DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制）實際上與基于定子磁場定向，而定子磁場則是依據(jù)電壓積分估算獲得，在這個過程中跟轉(zhuǎn)子位置沒有關(guān)系，其控制過程中用到的量也都是靜止坐標系下的量，因此DTC控制相比于FOC控制要簡單很多，完全不需要求解三角函數(shù)、坐標變換，如果需要用DTC進行速度閉環(huán)則需要測量電機的速度，但是依然不需要準確的絕對位置。

總結(jié)下來，從硬件的角度DTC相比于FOC可以省略一個位置傳感器！當(dāng)然，現(xiàn)在有很多改進的DTC算法需要用到電機的絕對位置。

但是在電機控制中，無論是DTC控制還是FOC控制，最后倒要基于PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)穩(wěn)定控制。

市場上電調(diào)分類

1、FOC電調(diào)：矢量控制，效率高，轉(zhuǎn)矩脈動小，電機噪音小，減速制動快

2、普通電調(diào)：六步換向控制，方波驅(qū)動

STM32有BLDC開發(fā)套件

BLDC電機控制算法：

PID控制，專家PID控制，模糊PID控制，神經(jīng)PID控制，基于遺傳算法整定的PID控制，魯棒控制，滑膜控制等；

電機方面的知識：

1、根據(jù)《無刷電機控制系統(tǒng)》中所講述：目前國內(nèi)外對無刷直流電機的定義一般有兩種：一種定義認為只有梯形波/方波無刷直流電機才可以稱為無刷直流電機，而正弦波無刷電機則被稱為永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）；另一種定義認為梯形波/方波無刷電機和正弦波無刷電機都是直流無刷電機。

2、直流電機的調(diào)速是用直流電壓來控制，電壓越高，轉(zhuǎn)的越快，不過單片機并不能輸出可調(diào)的直流電壓，于是只好變通采用PWM的方式來控制電機的輸入電壓。PWM占空比越高，等效電壓就越高，當(dāng)然單片機給出的PWM波形只是控制信號，而且最高電壓只有5V，其能量并不足以驅(qū)動無刷直流電機，所以必須要再接一個功率管來驅(qū)動電機，功率管可以是MOSFET（場效應(yīng)管），也可以是IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。

3、一般而言，電機的繞組數(shù)量都和永磁極的數(shù)量是不一致的（比如用9繞組6極，而不是6繞組6極），這是為了防止定子的磁極與轉(zhuǎn)子的磁鋼相互吸引對其，產(chǎn)生類似于步進電機的效果，此種情況下轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生很大的波動。

4、外轉(zhuǎn)子無刷直流電機比內(nèi)轉(zhuǎn)子電機要慢，但是力矩更大，例如四旋翼等可以不通過減速器直接驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

5、無刷直流電機KV值定義為：轉(zhuǎn)速/V，意思是輸入電壓每增加1V，BLDC電機空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。同系列同外形尺寸的無刷電機，根據(jù)繞線匝數(shù)的多少，會表現(xiàn)出不同的KV特性。繞線匝數(shù)多的，KV低，最高輸出電流小，扭力大；繞線匝數(shù)少的，KV高，最高輸出電流大，扭力??；

自己的一些經(jīng)驗：

1、計算角度信息一定要用電角度，而不能直接計算

2、電機的最高轉(zhuǎn)速與電流和編碼器采樣頻率也有一定關(guān)系；