FOC電機算法設計基礎知識1

FOC算法（Field-Oriented Control，場定向控制算法）是一種常用于交流電機控制的算法。它的目標是將交流電機的控制問題轉換為直流電機的控制問題，從而使得交流電機可以像直流電機一樣被有效控制。

FOC算法的基本思想是將交流電機轉換為一個等效的直流電機模型，通過控制電機的電磁場方向和大小來控制電機的轉速和扭矩。

電機扭矩和什么有關：

電機扭矩是指電機輸出的轉矩大小，也就是電機轉子所產生的力矩。

在直流電機中，電機扭矩與電樞電流成正比，與磁場強度成正比，與極對數成正比；

在交流電機中，電機扭矩與電源電壓、電流、功率因數、電機轉速。

什么是交流電機？

交流電機通常由兩部分組成：定子和轉子。定子是一個不動的部件，通常由若干個線圈和鐵芯構成。當電流通過定子線圈時，會在鐵芯中產生磁場。轉子是一個旋轉的部件，通常由若干個磁極和鐵芯構成。當磁場在定子鐵芯中旋轉時，它會在轉子鐵芯中產生感應電流，從而使轉子開始旋轉。

交流電機的運行原理基于磁場的相互作用和電磁感應現象。當交流電流通過定子線圈時，它會在定子鐵芯中產生磁場，這個磁場會隨著電流的變化而周期性地改變方向。由于轉子鐵芯中感應到的磁場也是周期性地改變方向，因此轉子會產生旋轉運動。

和直流電機的區(qū)別：

1.供電方式不同：交流電機采用交流電源供電，而直流電機采用直流電源供電。

2.構造不同：交流電機和直流電機的內部結構和構造不同。交流電機的轉子和定子都包含線圈，它們的磁場相互作用產生電動力。而直流電機的定子通常是靜止的，它的磁場產生電動力與轉子的磁場產生電動力相互作用。

3.調速方式不同：交流電機的轉速通常是由電源頻率決定的，而直流電機的轉速可以通過改變電源電壓或者改變電樞電流來調節(jié)。

4.應用場合不同：交流電機適用于高功率、高速、低載荷的場合，如空調、電冰箱、電風扇等。直流電機適用于需要調速和反轉控制的場合，如電動汽車、電動工具等。

直流電是指電流方向不變的電流，即電荷在電路中只沿一個方向移動的電流。交流電是指電流方向和大小都隨時間變化的電流。它的電流方向在時間上周期性地變化，即正負交替變化。通常情況下，交流電的頻率是指單位時間內電流正負周期性變化的次數，單位為赫茲（Hz），而電壓和電流的大小則會隨著時間的變化而不斷變化。與交流電相比，直流電的優(yōu)點是電壓穩(wěn)定，不容易產生電磁干擾，適用于一些對電源質量要求較高的場合

1.交流電轉直流電：這個過程通常稱為整流，可以使用二極管或者橋式整流電路實現。二極管整流只能將單相交流電轉換為單極（直流）電，而橋式整流電路可以將三相或單相交流電轉換為直流電。

2.直流電轉交流電：這個過程通常稱為逆變，可以使用逆變器實現。逆變器可以將直流電轉換為交流電，并且可以實現輸出不同頻率和電壓的交流電，因此逆變器被廣泛應用于家庭電器、電動車、太陽能等領域。

什么是相位電壓？

相位是指某個物理量的周期性變化相對于某個參考點的時間偏差，通常以角度或弧度的形式表示。

相位電壓是指在交流電路中，某一相電壓相對于電路的共同中性點或地點的電壓大小和相位角度。

在三相交流電路中，相位電壓是指每個相線與電路的共同中性點或地點之間的電壓差。如果電路的中性點與地點相同，則相位電壓就是每個相線之間的電壓差。與相位電壓相關的概念還包括線電壓和有效電壓。

相電壓是指在多相電路中，每個相線與電路的中性點之間的電壓差，也可以稱為相間電壓。相電壓是多相交流電路中的一種電壓表示方式。

在三相交流電路中，相電壓是指每個相線之間的電壓差，即A相電壓與B相電壓、B相電壓與C相電壓、C相電壓與A相電壓之間的電壓差。在三相電路中，相電壓的大小一般是線電壓的根號3倍。

線電壓是指交流電路中相鄰兩個相線之間的電壓大小，有效電壓是指交流電路中產生等效功率的電壓大小。

PWM代表脈寬調制（Pulse Width Modulation）。它是一種常用于電子設備和電路中的調制技術，用于控制電子信號的大小、形狀和頻率。從數學的角度來看，PWM是一種周期性的數字信號，由一個固定頻率的載波信號和一個可變占空比的調制信號組成。

PWM信號的周期是固定的，由載波信號的頻率決定；而占空比則是可變的，表示調制信號在一個周期內處于高電平的時間與整個周期時間的比例。占空比越大，輸出電壓或電流的平均值越高，反之亦然。也就是說控制一個周期內電信號的脈沖寬度和頻率，來控制輸出電壓或電流的大小。通常，一個周期內的脈沖寬度和頻率是可以調節(jié)的，從而可以控制輸出信號的平均值和波形。

1.載波頻率：也稱為PWM信號的工作頻率，通常是固定的，一般選擇幾千赫茲至幾十千赫茲的頻率，以保證足夠高的調制精度和低的失真。

2.調制波形：這是用于控制PWM信號占空比的調制信號，可以是模擬信號或數字信號。在數字控制系統(tǒng)中，調制波形通常是一個由微處理器或FPGA生成的數字信號。

3.占空比：占空比是指PWM信號中高電平時間與一個周期時間之比。在實際應用中，占空比通常是由調制波形的幅值來控制的。例如，當調制波形的幅值為0時，PWM信號輸出為低電平；當調制波形的幅值為最大值時，PWM信號輸出為最大的高電平。

當確定了這三個參數后，PWM信號就可以通過將調制信號與載波信號相乘來生成。由于載波頻率固定，而調制信號占空比可變，所以PWM信號的平均值可以通過改變占空比來控制。

PWM波如何生成？

1.使用計時器/計數器：在單片機或數字信號處理器（DSP）等數字電路中，可以使用計時器/計數器來生成PWM波形。計時器/計數器通過計算指定的時間間隔來產生定時的脈沖信號，通過改變脈沖的占空比，即脈沖寬度與周期的比值，來生成PWM波形。

2.使用模擬電路：可以使用模擬電路來生成PWM波形。例如，通過將輸入信號與三角波信號進行比較，可以生成PWM波形。比較器可以使用運算放大器或其他器件實現。

51定時器，我以前寫過:

1.定時器0：定時器0是8位定時器，它具有13位計數器。它可以通過不同的工作模式（模式0、模式1、模式2和模式3）來實現不同的計時和計數功能。一般情況下，定時器0被廣泛應用于控制延時，計數頻率可達到最大12MHz。

2.定時器1：定時器1是16位定時器，它具有16位計數器。它可以通過不同的工作模式（模式0、模式1、模式2、模式3、模式4和模式5）來實現不同的計時和計數功能。定時器1的計數頻率可以達到最大6MHz。

定時器的工作原理是：當定時器開始計時時，定時器計數器開始計數，計數值不斷增加，當計數器的值達到指定的計數值時，定時器會發(fā)出一個中斷信號。中斷服務程序可以在定時器溢出時執(zhí)行一些特定的操作.

將輸入信號與三角波信號進行比較，可以生成PWM波形的原理基于比較器的輸出。在這個過程中，輸入信號被與一個參考電壓進行比較，輸出結果被稱為比較器的輸出。

具體來說，PWM信號的生成過程如下：

1.產生一個三角波信號，其頻率應該足夠高，以保證PWM信號的平滑度和精度。一般而言，三角波信號的頻率應該在幾千赫茲到幾十千赫茲之間。

2.產生一個參考電壓，該參考電壓的大小與所需的占空比有關。例如，如果需要產生50%的占空比，則參考電壓應該為輸入信號幅值的一半。

3.將輸入信號與參考電壓進行比較。當輸入信號的幅值高于參考電壓時，比較器的輸出為高電平；當輸入信號的幅值低于參考電壓時，比較器的輸出為低電平。

4.將比較器的輸出與三角波信號進行比較。當三角波信號的幅值高于比較器輸出時，PWM信號為高電平；當三角波信號的幅值低于比較器輸出時，PWM信號為低電平。

5.重復上述過程，即可生成所需占空比的PWM信號。

需要注意的是，實際應用中，需要對比較器的輸出進行去抖動處理，以避免輸出的瞬時變化引起的錯誤。去抖動的方法包括加入濾波器或使用斯密特觸發(fā)器。

施密特觸發(fā)器是一種具有滯回特性的觸發(fā)器，常用于信號去噪、脈沖形變、數字信號處理等領域。其特點是在輸入信號的上升沿或下降沿經過某一閾值后，輸出信號會發(fā)生反轉，從而產生一個寬度固定的矩形脈沖信號。

施密特觸發(fā)器通常由一個比較器和一個正反饋電路組成。當輸入信號的幅值高于一定的閾值時，比較器的輸出將變?yōu)楦唠娖?，然后通過正反饋電路將輸出信號反饋回比較器的非反相輸入端。在此情況下，輸入信號即使變得微弱，輸出信號仍將保持高電平。只有當輸入信號的幅值低于一定的閾值時，比較器的輸出才會變?yōu)榈碗娖?，并將反饋信號反向，使得輸出信號保持低電平。通過這種方式，施密特觸發(fā)器可以實現信號的滯回特性，并且可以有效去除噪聲干擾。