FOC 控制

FOC 简介

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。

简单来说，FOC是一种对无刷电机的磁场定向控制以此来驱动转子的控制方法

FOC 流程框架

1.速度环+电流环

2.位置环+速度环+电流环

3.位置环+电流环

低速时，速度反馈误差大；去掉了速度环，这里的位置环使用完整的PID控制，即把微分项加上

4.FOC 最小系统

矢量控制系统包括实时电流的采集、clarke 变换、park 变换、SVPWM 、实时角度反馈和计算以及电流环和速度环等。

满足最小条件的矢量控制运行，可以不加速度环，只实现电流环，当电流环调试成功之后，再加速度环，以及后期的位置环。

最小的FOC系统的功能模块

• ADC电流采样
• 坐标变换与SVPWM
• 位置估计——霍尔、编码器或者状态观测器
• 电流环PI控制

ADC 采样

ADC 模块用于电流的采样，因为要根据合成矢量所在扇区，灵活的配置采样通道与采样点，所以ADC 通常配置为注入通道模式，它可以打断规则通道的采样，优先采集注入通道。

以常用芯片意法半导体的 STM32 为例，ADC 的触发模式常常设置为 PWM 定时器的 CH4 触发，再根据桥臂的打开状态，配合电流的上升和稳定时间，准确的计算采样点的时刻，进行有效的采样

坐标变换——基变换

坐标变换就是坐标系之间的转换，即基变换

Clarke变换

将固定坐标系$abc$转换为固定直角坐标 $\alpha \beta$

$$\left[\begin{array}{c}{I}_{\alpha }\\ I_{\beta }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_a\\ I_b\\ I_c\end{array}\right]$$

Park变换

将固定直角坐标 $\alpha \beta$ 绕原点逆时针旋转 $\theta$得到运动直角坐标系$dq$

$$\left[\begin{array}{c}{I}_d\\ I_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\theta & sin\theta \\ -sin\theta & cos\theta \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{\alpha }\\ I_{\beta }\end{array}\right]$$

$\theta$表示转子旋转的机械角度，$I_q$和$I_d$是虚拟的电流量，这是一个解耦过程，电机转矩与$I_q$成正比，$I_d$会削弱磁场，一般设置$I_d$为常数0；若控制过程中$I_d$为变量，这种控制方法为弱磁控制

转换可以采用全浮点实现，也可以采用标幺化（归一化）处理

SVPWM

空间矢量脉冲，$V_{\alpha },V_{\beta }$经过Clarke逆变换获得三个固定的$V_a,V_b，V_c$，旋转60°后，可以很方便得到6个基矢量，这6个基矢量用来描述任意一个空间矢量电压，显然这需要一定策略

该策略就是扇区判断，这样仅仅需要最近的2个基矢量来表达

配合占空比，即零矢量，通过三个PWM信号可以调制出（功率范围内）任意长度的矢量

要完成一个周期的旋转，使得MOS开关次数最少以及减少谐波噪声，就要设计好切换顺序（五步法和七步法）

SVPWM 的实现一般涉及到硬件 PWM 模块的配置，矢量合成扇区的判以及作用时间的计算等，常采用 STM32 的两个高级定时器 TIM1 和 TIM8 实现。

电流环PI控制

FOC控制中主要用到三个PID环，从内环到外环依次是：电流环、速度环、位置环

通过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。

内环不需要用到微分参数，PI控制器

调试过程

完成以上模块基本上可以实现一个 FOC 的最小控制系统，当然为了调试方便，可以配置 DAC 功能、USART 功能、CAN 功能等等。

由简到繁、由内到外、循序渐进的过程。以有感霍尔传感器为例：

1. 根据板子的晶振合理配置系统时钟，确保嘀嗒定时器按约定频率运行；

2. 按原理图设置配置对应的电流采样ADC通道，在规则通道的基础上加入三个注入通道，并考虑初始电流偏置的影响！合理配置ADC中断函数，测试ADC中断的响应频率是否符合预期；

3. 配置高级定时器，输出互补对称的方波，加入死区，改变占空比，示波器查看输出是否合理。测量H桥驱动芯片的输出级是否能快速响应输入级的变化，且波形是否符合预期；配合H桥驱动，给定几个固定占空比，比如25%、50%、75%等，万用表测量H桥输出是否是电源电压的1/4、1/2、3/4；

4. 配置霍尔传感器接口定时器，手动拨动电机一圈，在有效停止的位置上看程序是否有中断响应，测试程序响应到的霍尔状态是否按正序或逆序排列；

5. 配置DAC功能，主要用于调试电角度和采样电流；

6. 编写FOC核心算法，包括Clarke变换、park变换、SVPWM算法等；比较关键的环节是SVPWM，可以先打开ADC的中断，在中断中执行FOC的核心算法，此时，可以先给定一个$V_q$，角度先手动累加，如果电机能稳定的旋转起来，那么SVPWM算法应该是正确的；

7. 电机旋转起来之后，可以开始测试霍尔电角度的积分算法是否正确；这个时候可以使用DAC输出电角度，用示波器观察电角度曲线是否是一条平滑上升或下降的直线，如果台阶明显，那么很可能是同步电角度没有测量正确，或者是积分计算错误；

8. 电角度正确之后，可以将电流采样送到DAC输出，测试ADC采样电流是否是正弦函数，这一步间接验证了ADC采样点的配置是否正常；之后测试电流环响应是否够快，是否震荡等；

9. 加上速度环，测试速度响应曲线；速度的计算一般放到嘀嗒定时器中，速度计算的频率一定要高于速度环的频率，否则调速会不正常；

10. 如果有位置环，在确保以上功能正常后再测试位置环。

完成以上步骤基本上已经写出了一套属于自己的FOC矢量控制算法，也算是真正的迈进了矢量控制的大门