直流無刷電機(jī)FOC控制算法——理論

說明：圖片素材來源于網(wǎng)絡(luò)

文章目錄

• 直流無刷電機(jī)FOC控制算法——理論
• • 1. FOC概述
  • • 1.1 FOC由來
    • 1.2 FOC框圖
  • 2. 驅(qū)動(dòng)電路介紹
  • 3. FOC控制與六步換相控制比較
  • 4. 坐標(biāo)變換
  • 5. Clark、Park、反Park變化及SVPWM運(yùn)算
  • 6. 實(shí)戰(zhàn)

1. FOC概述

1.1 FOC由來

什么是FOC？

FOC英文全程為 field-oriented control，即磁場(chǎng)定向控制，也稱之為矢量控制，主要應(yīng)用于直流無刷電機(jī)的控制，通過此控制算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無刷電機(jī)的精確控制。

那么怎樣才能稱之為精確控制，FOC和普通的六步換相控制有什么區(qū)別呢？

對(duì)于直流無刷電機(jī)的控制，采用六步換相確實(shí)可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，但是如果從原理上深入理解一下便可以發(fā)現(xiàn)其缺陷，六步換相技術(shù)通過傳感器檢測(cè)（通常為霍爾）當(dāng)前轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置，之后控制三相輸出產(chǎn)生合成磁場(chǎng)，通過此合成磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 此方法的缺點(diǎn)是：由于只能產(chǎn)生六種固定的合成磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)所處位置不同，所受磁力不一致，因此此方法的缺點(diǎn)便是對(duì)于電機(jī)力矩控制不穩(wěn)定（在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)更加明顯），效率低（磁場(chǎng)產(chǎn)生的吸引力不能成90°完全做功）

針對(duì)六步換向存在的這些缺陷，偉大的前輩們便思考出了FOC這種控制算法。

1.2 FOC框圖

以下便是FOC的控制框圖

相信對(duì)于沒有接觸過FOC的同學(xué)，對(duì)于框圖中不懂的含義可以先不用糾結(jié)，此時(shí)只需要你對(duì)整個(gè)框圖有個(gè)大體的映像即可

從框圖中大體可以看到FOC中有幾個(gè)關(guān)鍵的點(diǎn)：

• Park逆變換
• Clarke逆變換
• Park變換
• Clarke變換

大家先有個(gè)映像，以上均會(huì)在接下來進(jìn)行詳細(xì)講解

2. 驅(qū)動(dòng)電路介紹

無論是直流有刷電機(jī)還是直流無刷電機(jī)，想要實(shí)現(xiàn)控制，根據(jù)歷史的經(jīng)驗(yàn)，我們都是通過工具+方法來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于直流無刷電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路由三個(gè)半橋控制電路組成，通過控制三個(gè)半橋的上下橋?qū)ê完P(guān)斷，實(shí)現(xiàn)逆變控制，將直流電變成交流電，簡(jiǎn)單點(diǎn)理解就是可以實(shí)現(xiàn)流過電機(jī)三相線圈的電流的流向控制。

上述驅(qū)動(dòng)電路便是控制直流無刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的工具，那么如何合理的使用此工具來實(shí)現(xiàn)我們的目的——驅(qū)動(dòng)直流無刷的電機(jī)呢？

通過控制半橋上下橋臂在不同時(shí)刻的不同導(dǎo)通方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流過電機(jī)三相繞組的電流控制，從而控制電機(jī)內(nèi)部合成特定角度的磁場(chǎng)完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)

我們首先來看下六步換相控制是如何實(shí)現(xiàn)的，以下是六步換相的六種框圖：


通過上述示意圖，我們應(yīng)該可以清晰的理解六步換相的基本原理了，通過控制線圈的導(dǎo)電順序，根據(jù)右手螺旋定則產(chǎn)生合成磁場(chǎng)，根據(jù)磁鐵的異性相吸，同性相斥原理，吸引轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)

而FOC最底層的原理和六步換相一致，也是通過控制線圈通電，從而控制合成的磁場(chǎng)方向吸引著轉(zhuǎn)子磁極；所不同的是，六步換相技術(shù)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)固定為六個(gè)方向，FOC可以理解為將六步換相產(chǎn)生的任意幾個(gè)方向的磁場(chǎng)進(jìn)行組合，合成一個(gè)新的磁場(chǎng)，使得合成的新的磁場(chǎng)始終與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)保持90°

新的合成磁場(chǎng)角度與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)角度始終不變，磁力的大小也沒有發(fā)生變化，因此能保證力矩恒定；

新的合成磁場(chǎng)角度與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)角度始終為90°，可以保證合成磁場(chǎng)的力最大化做功，效率最大

此外在驅(qū)動(dòng)電機(jī)前我們首先需要知道一個(gè)知識(shí)：電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)系：電動(dòng)機(jī)反過來即為發(fā)電機(jī)，通過外力轉(zhuǎn)動(dòng)直流無刷電機(jī)，測(cè)量U V W三相之間任意兩相之間的電壓變化，我們可以看到輸出為三個(gè)相位相差120°的正弦波，

因此如果需要驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)，我們應(yīng)該通過控制上述三個(gè)半橋電路，使得輸出到電機(jī)UVW三個(gè)相位相差120°的正弦波電流來驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)。

如何控制三個(gè)半橋電路產(chǎn)生三相相位相差120°的正弦波呢？以及如何實(shí)現(xiàn)合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)始終保持90°相位差呢？這便是FOC所需要解決的問題了

3. FOC控制與六步換相控制比較

剛剛我們從原理上簡(jiǎn)單的講解了下FOC和六步換向的區(qū)別，而在實(shí)際控制中，FOC與六步換相還存在以下差別需要大家首先明確：

• 控制信號(hào)區(qū)別：
  • FOC采用正弦波驅(qū)動(dòng)，六步換相采用方波驅(qū)動(dòng)
• 控制方式區(qū)別：
  • FOC控制中三個(gè)半橋的MOS采用三三導(dǎo)通，而六步換相采用兩兩導(dǎo)通

    • 三三導(dǎo)通：同一時(shí)刻有三個(gè)MOS管導(dǎo)通

    • 兩兩導(dǎo)通：同一時(shí)刻有兩個(gè)MOS管導(dǎo)通

4. 坐標(biāo)變換

我們繼續(xù)看到最開始的FOC控制框圖

整個(gè)控制框圖可以分為五個(gè)部分，分別對(duì)應(yīng)上圖中的 ① - ⑤，那么為什么需要做的這么復(fù)雜呢？拿到電機(jī)的三相電流之后直接做作為PID控制器反饋輸入不好嗎？此圖看上去復(fù)雜了些，實(shí)際上真正做到了化繁為簡(jiǎn)

根據(jù)我們之前的描述可知，我們從電機(jī)U V W三相檢測(cè)到的反饋電流為正弦波，同時(shí)處于靜止的abc三相坐標(biāo)系，誰會(huì)愿意在三相坐標(biāo)系上去計(jì)算呢，受過九年義務(wù)教育的我們，都只喜歡在二維坐標(biāo)系上去進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算的嘛，聰明的先輩們也體會(huì)到計(jì)算的復(fù)雜性，太難的東西不利于推廣，因此經(jīng)過先輩們的艱苦奮斗，找到了一種巧妙的解決方式——坐標(biāo)變換。

第①步：通過傳感器采樣，得到三相電流，為了節(jié)約成本，亦可只采集其中任意兩相的電流，之后根據(jù)基爾霍夫電流定律，流入節(jié)點(diǎn)電流等于流出節(jié)點(diǎn)電流，即 Ia+Ib+Ic=0 計(jì)算第三相電流，之后通過Clark變換，將靜止的三相a_b_c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為靜止的兩相直角α_β坐標(biāo)系

• Clark變換
  • 坐標(biāo)系：靜止三相坐標(biāo)系 -> 靜止兩相直角坐標(biāo)系
  • 波形：正弦波 -> 正弦波

第②步：P輸入功率 = P輸出功率 + P損耗功率

• 當(dāng)三相繞組通以電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)成90°相切時(shí)， P輸出功率最大，P損耗功率最小，所產(chǎn)生的力效率最高；

• 而當(dāng)合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)平行且反向時(shí)，電機(jī)會(huì)被吸住不能運(yùn)轉(zhuǎn)，P輸出功率最小，P損耗功率最大，此時(shí)電機(jī)效率最低，同時(shí)由于損耗功率絕大部分作用于電機(jī)的熱量損耗，因此此時(shí)電機(jī)溫升將極具增大，長(zhǎng)時(shí)間很容易燒毀電機(jī)

• 因此在控制時(shí)，我們應(yīng)盡可能的控制合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)成90°，即上圖中的Q軸方向，而D軸方向的分量因盡可能為0（當(dāng)然也有一種是控制D軸分量為負(fù)，利用同性磁極之間斥力進(jìn)行作用的方法，此處不考慮）

• 根據(jù)上述分析，我們可以隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不斷旋轉(zhuǎn)，合成磁場(chǎng)也應(yīng)同步旋轉(zhuǎn)，因此便已轉(zhuǎn)子磁鐵作為參考建立D_Q軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

通過Park變換，將靜止兩相直角α_β坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為跟隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)D_Q坐標(biāo)系，將正弦計(jì)算轉(zhuǎn)化為常數(shù)計(jì)算，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與靜止坐標(biāo)系的夾角為電機(jī)此時(shí)的電角度

• Park變化
  • 坐標(biāo)系：靜止的兩相直角坐標(biāo)系 -> 旋轉(zhuǎn)的兩相直角坐標(biāo)系
  • 波形：正弦波 -> 常數(shù)

第③步：進(jìn)行PID計(jì)算，根據(jù)目標(biāo)與偏差，在旋轉(zhuǎn)D_Q坐標(biāo)系上計(jì)算得到輸出

第④步：通過反Park變換，將輸出所在的D_Q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為靜止的直角坐標(biāo)系，即進(jìn)行Park變換的反運(yùn)算

第⑤步：通過SVPWM技術(shù)，將輸出轉(zhuǎn)化為馬鞍波，U V W對(duì)地波形分別為馬鞍波，U V W三相任意兩相相減得到正弦波，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

5. Clark、Park、反Park變化及SVPWM運(yùn)算

FOC直流無刷電機(jī)控制算法 理論到實(shí)踐 —— 理論（二）（點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)）

6. 實(shí)戰(zhàn)

直流無刷電機(jī)FOC控制算法 理論到實(shí)踐 —— 實(shí)踐

創(chuàng)作不易，轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)注明出處，點(diǎn)贊收藏＋關(guān)注，找我不迷路！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的直流无刷电机FOC控制算法 理论到实践 —— 理论（一）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。