FOC之力矩控制模式

FOC又稱(chēng)矢量控制，是通過(guò)控制變頻器輸出電壓的幅值和頻率控制三相直流無(wú)刷電機(jī)的一種變頻驅(qū)動(dòng)控制方法。FOC的實(shí)質(zhì)是運(yùn)用坐標(biāo)變換將三相靜止坐標(biāo)系下的電機(jī)相電流轉(zhuǎn)換到相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁極軸線靜止的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量大小和方向達(dá)到控制電機(jī)目的。由于定子上的電壓量、電流量、電動(dòng)勢(shì)等都是交流量，并都以同步轉(zhuǎn)速在空間上不斷旋轉(zhuǎn)，控制算法難以實(shí)現(xiàn)控制。通過(guò)坐標(biāo)變換之后，旋轉(zhuǎn)同步矢量轉(zhuǎn)換成靜止矢量，電壓量和電流量均變?yōu)橹绷髁?。再根?jù)轉(zhuǎn)矩公式，找出轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的被控制量之間關(guān)系，實(shí)時(shí)計(jì)算和控制轉(zhuǎn)矩所需的直流給定量，從而間接控制電機(jī)達(dá)到其性能。由于各直流量是虛構(gòu)的，在物理上并沒(méi)有實(shí)際意義，因而還需通過(guò)逆變換變?yōu)閷?shí)際的交流給定值。

1、測(cè)量電機(jī)運(yùn)行時(shí)三相定子電流，可得到Ia、Ib、Ic。將三相電流通過(guò) Clark 變換至兩相電流Iα和Iβ，其是相互正交的時(shí)變電流信號(hào)。

2、Iα和Iβ通過(guò)Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流Id和Iq 。在電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，Id和Iq 是常量。此時(shí)所使用的轉(zhuǎn)子位置為上一次迭代計(jì)算出來(lái)的角度值。

3、Id的參考值決定了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通量，Iq 的參考值決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出大小，二者各自的實(shí)際值與參考值進(jìn)行比較得到的誤差，作為電流環(huán) PI 控制器的輸入。通過(guò)PI控制計(jì)算輸出得到Vd和Vq, 即要施加到電機(jī)繞組上的電壓矢量。

4、有傳感器FOC根據(jù)Hall信號(hào)或者通過(guò)無(wú)感估算計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速。新的轉(zhuǎn)子角度可告知 FOC算法下一個(gè)電壓矢量在何處。計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)速將用于電機(jī)狀態(tài)的切換，環(huán)路切換，堵轉(zhuǎn)保護(hù)等子功能模塊的數(shù)據(jù)支持。

5、利用新的電機(jī)角度，Vd和Vq 經(jīng)過(guò) Park 逆變換到兩相靜止坐標(biāo)系上。該計(jì)算將產(chǎn)生下一個(gè)正交電壓值 Vα、 Vβ。再采用 SVPWM 算法判定其合成的電壓矢量位于哪個(gè)扇區(qū)，計(jì)算出三相各橋臂開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。最后經(jīng)過(guò)三相逆變器驅(qū)動(dòng)模塊輸出電機(jī)所需的三相電壓。

電壓模式 - voltage

基于電壓的力矩控制是最基本的力矩控制模式，它為你提供了一個(gè)抽象的無(wú)刷直流電機(jī)，以便你可以控制它作為直流電機(jī)。

它基于簡(jiǎn)單的歐姆定律(忽略了電流動(dòng)態(tài)特性)，因此不需要任何電流檢測(cè)相關(guān)的硬件。這種力矩控制方法無(wú)論其是否具有電流感應(yīng)，都能夠在任何無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上工作。

這種模式也就是我們知道的電機(jī)這種的模型

直流電流模式 - dc_current

基于直流電流的力矩控制能夠像控制直流電機(jī)那樣控制無(wú)刷電機(jī)。電流檢測(cè)用于獲取通過(guò)電機(jī)的電流大小及方向，我們假設(shè)力矩和總電流是成正比的。這種模式好處在于可以非常精確地控制無(wú)刷電機(jī)的實(shí)際電流，一些性能較低的處理器（如ATMega328系列）也能有較快較穩(wěn)定的效果。

看左邊的無(wú)刷電機(jī)，就是沒(méi)有換向器這種東西

FOC電流模式- foc_current

基于直流電流的力矩控制是唯一真正的力矩控制方法。它控制電流 q 和 d的兩個(gè)分量。我們假設(shè)力矩與 q 電流分量成比例，并控制電流的 d 分量保持等于0。

關(guān)于三種的比較方式在這里

代碼在這里被設(shè)置

幾種配置的結(jié)構(gòu)

基于電壓的控制

獲得轉(zhuǎn)的角度和現(xiàn)在給的電壓，算法給出三項(xiàng)電壓，F(xiàn)OC算法確保這些電壓產(chǎn)生的磁力恰好與電機(jī)轉(zhuǎn)子的永磁場(chǎng)偏移 90度 ，從而保證了最大力矩，這稱(chēng)為換向。

假設(shè)電機(jī)產(chǎn)生的力矩與設(shè)定電壓 Uq 成正比，也就是說(shuō)最大力矩與Uq 有關(guān)，而這個(gè)Uq 則受到供電電壓的限制。最小力矩當(dāng)然即Uq = 0。

如果給出電機(jī)的相電阻的話，那直接給電流也是可以的：

閉環(huán)的模型變成了這樣的

我們來(lái)看第二個(gè)，基于電流的控制

直流電流力矩控制算法讀取無(wú)刷直流電機(jī)的相電流(通常是ia 和 ib)。

該算法從位置傳感器讀取角度 a。相電流通過(guò)逆Clarke和簡(jiǎn)化的Park變換轉(zhuǎn)換為直流電流iDC。

而后，PID控制器利用目標(biāo)電流Id和測(cè)量電流iDC計(jì)算出相應(yīng)的設(shè)置到電機(jī)的電壓值Uq，而Ud始終保持為0。

最后，F(xiàn)OC對(duì)電機(jī)設(shè)置相應(yīng)的ua, ub 和 uc 。FOC會(huì)確保這些電壓產(chǎn)生的磁力恰好與電機(jī)轉(zhuǎn)子的永磁場(chǎng)保持90度偏移，從而保證了最大力矩，這稱(chēng)為換向。

這種力矩控制模式是假設(shè)在電機(jī)的力矩是和電機(jī)的直流電流iDC成比例的（iDC=iq），因此可以通過(guò)控制電流來(lái)實(shí)現(xiàn)力矩的控制。但是這種假設(shè)僅限于低速的情況，在高速情況下，id分量會(huì)變得很高，致使iDC=iq就不成立了。

我們來(lái)看看FOC

FOC電流力矩控制算法讀取無(wú)刷直流電機(jī)(通常為ia 和 ib)的相電流。此外，該算法從位置傳感器讀取角度 a 。

相電流通過(guò)逆Clarke和Park變換轉(zhuǎn)換為 d 分量電流 id 和 q分量電流 iq 。而后，每個(gè)相PID控制器利用目標(biāo)電流Id和測(cè)量電流值 iq 和 id計(jì)算出相應(yīng)的設(shè)置到電機(jī)的電壓值Uq和Ud，以保持iq=Id,id=0。

最后，F(xiàn)OC利用Park和Clark（或空間矢量SpaceVector）變換設(shè)置合適的 ua, ub 和 uc 。

通過(guò)測(cè)量相電流，力矩控制算法能夠確保這些電壓生成在電機(jī)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生合適的電流和磁力，并恰好與電機(jī)轉(zhuǎn)子的永磁場(chǎng)保持90度偏移，從而保證最大轉(zhuǎn)矩，這稱(chēng)為換向。電機(jī)產(chǎn)生的力矩與q分量的電流 iq成比例，這原理使這種力矩控制模式成為無(wú)刷直流電動(dòng)真正的力矩控制。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，voltage control mode是最簡(jiǎn)單的接近電機(jī)力矩控制的方法。它基本在任何電機(jī)+驅(qū)動(dòng)器+mcu的組合中運(yùn)行。

DC current mode 是voltage control mode的更進(jìn)一步，它比voltage control mode更精確，但需要電流傳感和更強(qiáng)大的mcu。

FOC current mode 是真正的電機(jī)力矩控制方法，不同于前兩者的“近似”，因此也需要電流傳感器，也比DC current mode對(duì)MCU的處理能力有更高的要求。

電壓模式直接給目標(biāo)電壓，電流模式就是給的電流，其實(shí)和上面的模式比較就是一個(gè)相電阻的變化。