新手學(xué)習(xí)FOC的誤區(qū)

作者簡(jiǎn)介：

從事三相異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)的控制開發(fā)工作十余年，精通無(wú)感FOC控制。涉及產(chǎn)品包括變頻器，伺服，電動(dòng)工具，吸塵器，螺旋槳，無(wú)人機(jī)，空壓機(jī)等。功率范圍包括100W~100kW，電壓范圍包括14VDC~660VAC。

從2020年開始在知乎和公眾號(hào)做技術(shù)分享，一貫的理念是尊重知識(shí)，尊重勞動(dòng)，尊重版權(quán)，持續(xù)性輸出價(jià)值。期待所有同行獲得足夠的報(bào)酬，越來(lái)越多人愿意從事電機(jī)控制行業(yè)。

在和讀者朋友們的交流中，有很多朋友學(xué)習(xí)FOC往往有一些誤區(qū)。

有些朋友是從方波過(guò)渡到FOC，有些是學(xué)習(xí)了FOC好幾年，進(jìn)步很慢。各種誤區(qū)讓大家陷入了瓶頸，久久走不出來(lái)。

通過(guò)這篇文章，把相關(guān)的一些經(jīng)驗(yàn)整理出來(lái)，供大家參考，希望能幫助到各位少走彎路。

1、把SVPWM當(dāng)成算法

很多初學(xué)者，或者從方波轉(zhuǎn)FOC的工程師，老是咨詢FOC是如何換向的？FOC的6個(gè)管子是怎么開關(guān)的？用到了什么算法？

SVPWM對(duì)于FOC是很重要的，具有較高的電壓利用率，諧波小。但是SVPWM并不是一類算法，而是一種DC-AC逆變的手段，更歸屬于電力電子的范疇。

看FOC的整體框圖：

FOC框圖

SVPWM輸入是alpha和beta軸電壓，輸出是三相PWM占空比。通俗的說(shuō)，SVPWM可以當(dāng)作一個(gè)理想電壓源，控制逆變器實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電壓的輸出。我的習(xí)慣，SVPWM就當(dāng)作一個(gè)黑盒子，按照電流環(huán)的輸出作為輸入指令，輸出PWM比較值。

基本上市面上的產(chǎn)品以七段式SVPWM為主，除了過(guò)調(diào)制那部分，其他部分基本是一致的。所以SVPWM并不是FOC最核心的東西，主要精力或者重點(diǎn)應(yīng)該放在觀測(cè)器和環(huán)路上。

至于換向，因?yàn)镾VPWM的上下橋是加入死區(qū)后互補(bǔ)式的開關(guān)邏輯，并不像方波控制，可能出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間上下橋都不開的情況，所以FOC并沒有換向這個(gè)說(shuō)法，就是逆變器開關(guān)管導(dǎo)通或者續(xù)流二極管續(xù)流，這樣子電流是連續(xù)的。

2、把PI當(dāng)成算法

很多新手習(xí)慣把PI當(dāng)成算法。

嚴(yán)格的來(lái)說(shuō)，PI調(diào)節(jié)器是個(gè)濾波器或者按照《自動(dòng)控制原理》的理論，是一個(gè)校正環(huán)節(jié)。比如，以電流環(huán)為例：

從上圖可以看出，PI調(diào)節(jié)器串聯(lián)在電流環(huán)的回路里，通過(guò)合理的配置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳遞函數(shù)的降階，最后電流環(huán)等效成了一個(gè)低通濾波器。

總體來(lái)說(shuō),PI更多是帶寬的整定，算不上多么高深的算法，主要精力還是放在位置估算之類的觀測(cè)器上。

3、不重視MATLAB

很多工作很多年的工程師很反感使用MATLAB，覺得自己電機(jī)轉(zhuǎn)的挺好的，寫寫代碼調(diào)調(diào)參數(shù)電機(jī)就轉(zhuǎn)起來(lái)了。當(dāng)然搞了十幾年還是只會(huì)個(gè)SMO+PLL。

在開發(fā)新的方法，或者環(huán)路分析對(duì)比，參數(shù)敏感性分析，MTPA分析，Simulink是非常好用的方法。

結(jié)合我個(gè)人的經(jīng)歷來(lái)看，如果不堅(jiān)持使用MATLAB，那么絕對(duì)會(huì)陷入到調(diào)參數(shù)的瓶頸中，很難進(jìn)步。

4、糾結(jié)于代碼和資料

很多人一上來(lái)就問(wèn)，有沒有代碼賣？有沒有資料賣？

其實(shí)電機(jī)控制的核心真的不是代碼，代碼只能輔助你入門。要提高，關(guān)鍵是得掌握FOC開發(fā)的一套流程或者方法，補(bǔ)充理論基礎(chǔ)，做仿真，做實(shí)驗(yàn)。買來(lái)的代碼如果基本功不夠，根本領(lǐng)會(huì)不到代碼的核心思想，關(guān)鍵問(wèn)題還是要打好基本功。

現(xiàn)在浮躁的風(fēng)氣很嚴(yán)重，要么想著轉(zhuǎn)互聯(lián)網(wǎng)拿高薪，要么想拿到代碼快速把電機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)。

假設(shè)能買到不錯(cuò)的代碼，把項(xiàng)目做成了?，F(xiàn)在技術(shù)都是不斷革新的，下一代產(chǎn)品如何開發(fā)呢？存在的問(wèn)題如何優(yōu)化升級(jí)呢？就靠無(wú)腦調(diào)參數(shù)嗎？

這個(gè)東西就跟郭靖練降龍十八掌一樣，如果他沒跟江南七怪傻乎乎練了十幾年的基本功，只怕早就走火入魔了。學(xué)技術(shù)跟學(xué)功夫一樣，要走正路，堅(jiān)持科學(xué)的方法打好基礎(chǔ)。走邪路求快只會(huì)走火入魔。

資料也一樣，其實(shí)我學(xué)習(xí)用的資料不多，就是四本基礎(chǔ)教材?！峨姍C(jī)學(xué)》，《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》，《自動(dòng)控制原理》，《電力電子技術(shù)》。在看書的基礎(chǔ)上，再看一些IEEE文獻(xiàn)和知網(wǎng)文章。這些東西都是開源的，但是很多人想著買點(diǎn)資料一步登天。

很多網(wǎng)上的資料，編寫者都是站在自己的角度總結(jié)的，你沒有經(jīng)歷當(dāng)時(shí)項(xiàng)目的具體問(wèn)題，是很難體會(huì)到資料總結(jié)的精髓。這個(gè)就跟練功一樣，洪七公說(shuō)過(guò)，貪多嚼不爛。楊過(guò)練了一大把神功，但是每樣都不精。直到自己苦練18年原創(chuàng)出了黯然銷魂掌才真正步入頂尖高手的行列。

不用貪圖網(wǎng)上的資料，打好基本功，自己用心去做幾個(gè)項(xiàng)目用心總結(jié)，付出時(shí)間和汗水獲得的東西才是別人拿不走，復(fù)制不了的。

5、把電機(jī)當(dāng)成RL

有的工程師分析電機(jī)低速性能，比如低速用高頻注入，有人說(shuō)高頻注入會(huì)影響電流上升速度。我說(shuō)不會(huì)影響。因?yàn)樵陔妷鹤銐蛴们闆r下，低速下電流上升的速度取決于電流環(huán)的帶寬，帶寬高，電流上升快。

但是這名工程師振振有詞，說(shuō)低速下，高頻注入占用了一部分電壓，然后定子電阻的壓降在同樣電流下相同，這樣子用了高頻注入導(dǎo)致電感上的電壓小了，電壓除以電感變小了，導(dǎo)致電流上升率就小了。。。。

當(dāng)時(shí)我看了這個(gè)回答真的是內(nèi)流滿面。。。。完全是按照方波的思路在分析？完完全全把電機(jī)當(dāng)成RL負(fù)載啊。

就以這個(gè)問(wèn)題為例，我來(lái)解讀如下：

5.1，電機(jī)除了RL最重要的就是反電勢(shì)，在高速或者動(dòng)態(tài)下，反電勢(shì)的占比是很大的。在分析動(dòng)態(tài)情況下，千萬(wàn)不能忽略反電勢(shì)的影響。電機(jī)絕對(duì)不是RL啊，沒有反電勢(shì)那磁場(chǎng)干什么用？磁場(chǎng)不起作用哪來(lái)的轉(zhuǎn)矩??？這是基本的電機(jī)模型都沒弄明白。。。要加強(qiáng)基礎(chǔ)啊！

5.2，即使電壓除以電感導(dǎo)致電流上升率低了，就一定導(dǎo)致電流上升慢？電流除了幅值就沒有相位嗎？轉(zhuǎn)矩是q軸電流產(chǎn)生，你能保證就恰好導(dǎo)致q軸電流上升慢，而不是d軸？電壓和電流就沒有相位，上來(lái)除了就是能產(chǎn)生結(jié)論？

5.3，電機(jī)是個(gè)非線性的模型，尤其在FOC控制里，電流，速度，轉(zhuǎn)矩，這些控制量都是用環(huán)路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。那么分析這些對(duì)象要有環(huán)路的概念，環(huán)路決定了上升速度，過(guò)沖，穩(wěn)態(tài)誤差等等各種關(guān)鍵指標(biāo)。這些東西不都是《自動(dòng)控制原理》上的白紙黑字嗎？加強(qiáng)基礎(chǔ)啊。

5.4，這個(gè)問(wèn)題用simulink仿真對(duì)比一下不就知道了嗎？就是不愿意用。。。

6、以為滑模或者龍伯格就是萬(wàn)能的

很多初學(xué)者做低壓電機(jī)控制出身，看一些芯片公司的文檔入門。這個(gè)行業(yè)用的最多的就是滑?；蛘啐埐?，然后就覺得這個(gè)方法是萬(wàn)能的，是無(wú)敵的。。。

SMO框圖

PMSM/BLDC的無(wú)感FOC方法，總體有三大類：

分別是基于凸極性的高頻注入，基于磁鏈的模型，基于反電勢(shì)的模型。其中滑模或者龍伯格僅僅只是基于反電勢(shì)模型里的兩種方法，而且這兩種方法缺陷也很明顯。低速?zèng)]有帶載能力，這是基于反電勢(shì)模型的通病。

就算是基于反電勢(shì)模型的方法，還有基于不同坐標(biāo)系的拓展反電勢(shì)或者其他衍生的方法。

思路要開闊一些，除了滑模還有很多種方法，尤其是不同于工況或者需求要進(jìn)行調(diào)整。

而且龍伯格不適合無(wú)感FOC，其最優(yōu)應(yīng)用場(chǎng)景是電動(dòng)汽車或者伺服，在知道角度的前提下進(jìn)行速度估算，這樣子其速度是沒有相位滯后的，很適合高性能場(chǎng)合，魯棒性好。

7、不重視理論基礎(chǔ)

除了以上問(wèn)題，還有一點(diǎn)就是不愿意看書，不愿意夯實(shí)理論基礎(chǔ)。

比如，很多人對(duì)帶寬不了解，對(duì)Z變換不愿意學(xué)習(xí)，這是《自動(dòng)控制原理》上的基礎(chǔ)。

調(diào)速范圍不了解，很多工作十幾年的工程師都不知道什么是調(diào)速范圍。調(diào)速比是最能反應(yīng)高低速帶載極限的，比如24V/50Hz的電機(jī)1Hz帶滿載，和24V/500Hz的電機(jī)實(shí)現(xiàn)1Hz帶滿載，這難度能一樣嗎

很多人就問(wèn)，最低幾Hz帶滿載？上述兩個(gè)電機(jī)都是1Hz帶滿載的話，他們的低速帶載極限是一樣的嗎？

我的建議就是踏踏實(shí)實(shí)，花個(gè)一年時(shí)間好好打牢基礎(chǔ)，再去考慮其他的事情。建摩天大樓的前幾年都是在地下默默努力，打好了地基幾天就是一樓層啊。

8、不重視采樣觸發(fā)點(diǎn)和PWM生效機(jī)制

這一點(diǎn)是很多工程師容易忽視的，PWM計(jì)數(shù)器一般是up-down模式。

PWM采樣點(diǎn)配置

在三角波的頂點(diǎn)還是底點(diǎn)采樣？采樣值在什么時(shí)候更新？

中斷在什么時(shí)候計(jì)算結(jié)束？PWM比較值在什么時(shí)候更新？

雙電阻和單電阻，在采樣配置，PWM比較值生效有什么區(qū)別？

在高開關(guān)頻率下，不同的PWM比較值生效機(jī)制，對(duì)角度估算有什么影響？

以上問(wèn)題，因?yàn)殡x散采樣和計(jì)算造成對(duì)實(shí)際的估算結(jié)果有些影響，并不是算法層面造成的，屬于硬件級(jí)的問(wèn)題。如果不考慮清楚，在高速電機(jī)或者單電阻采樣上會(huì)有問(wèn)題，或者增大估算誤差。

最后的話

以上就是我總結(jié)的一些FOC學(xué)習(xí)的誤區(qū)，歡迎大家留言補(bǔ)充。

審核編輯黃宇