电机控制（一）--- FOC框架

FOC主要是通过对PMSM/BLDC进行电流的控制，实现对电机转矩(电流)、速度、位置的控制。如下图所示，以电流作为最内环，速度是中间环，位置作为最外环，最终实现三闭环的控制。

二灰酱

2498人浏览 · 2023-10-16 00:03:14

二灰酱 · 2023-10-16 00:03:14 发布

一、FOC的框架

电流环：采集三相电流，角度，进行Clarke、Park变换，得到 Iq、Id；再跟 Iq_ref、Id_ref计算误差，将误差值带入两个电流PI控制器中，计算出Uq、Ud；接着RePark，SVPWM。
速度环：当对PMSM/BLDC进行速度控制的时候，在电流环的基础上，串多一个速度环，用期望速度Speed_ref和实际速度Speed计算出误差，再代入速度PI控制器里面，计算出 Id，Iq 代入到电流环中。
位置环：当对PMSM/BLDC进行位置控制的时候，在电流环、速度环的基础上，串多一个位置环，用期望位置角度Position_ref和实际位置角度Position计算出误差，代入到位置PI控制器中，计算出Speed，代入到速度环中。

二、FOC各个环节计算

1、Clarke变换

（1）目的：将三相静止坐标系的三相电流值转换成两相静止坐标系的2个电流值；

（2）图示如下：

（3）公式如下：

$I\alpha =Ia-\frac{1}{2}Ib - \frac{1}{2}Ic$

$I\beta = \frac{\sqrt{3}}{2}Ib - \frac{\sqrt{3}}{2}Ic$

（4）在（3）的基础上，等幅值变换，变换系数为2/3；等功率变换，变换系数为sqrt(2/3)；

2、Park变换

（1）目的：将两相静止alpha-beta坐标系变换成旋转的两相正交d-q坐标系；

（2）图示如下：

（3）公式如下：

$Id = I\beta \sin \theta + I\alpha \cos \theta$

$Iq = I\beta \cos \theta - I\alpha \sin \theta$

3、RePark变换

（1）目的：分别对d轴和q轴电流进行调节，PI调节器输出电压Vd、Vq之后，要进行Park反变换，将这两个输出电压从d−q旋转坐标系变换回静止的alpha - beta两相坐标系；

（2）图示如下：

（3）公式如下：

$V\alpha =Vd\cos \theta - Vq\sin \theta$

$V\beta = Vd\sin \theta + Vq\cos \theta$

4、SVPWM

（1）SVPWM和SPWM一样，都属于脉宽调制。要注意的是，所谓“磁场定向控制”（FOC），是指采用SPWM或SVPWM的调制方式，在旋转的d - qd−q坐标系上进行相关变量的单独控制， SVPWM并不指代磁场定向控制；

（2）开关定义：

以典型三相半桥功率回路为例，如下图所示。当开关1导通，开关2关断时，电机A相端子电压为电源电压，把这种状态记作1。当开关1关断，开关2导通时，电机A相端子电压为电源地，把这种状态记作0。在采用互补PWM并加入死区控制的情况下，电机A相端子的状态要么为1，要么为0。依此类推，电机端子A、B、C共有2^3 =8种状态。不过，高边开关全部导通、低边开关全部关断时，电机中没有电流通过；高边开关全部关断、低边开关全部导通时，电机中也没有电流通过。因此，只有6种状态是有电流的，这6种状态也被称为“有效矢量”；

（3）矢量表

空间矢量	开关状态【A B C】
V4	【100】
V6	【110】
V2	【010】
V3	【011】
V1	【001】
V5	【101】
V0	【000】
V7	【111】

（4）扇区图

5、SVPWM计算（方法一）

（1）扇区计算

$\left \| V\alpha \right \| \geqslant \left \| \frac{V\beta }{\sqrt{3}} \right \|$	$V\alpha \geq 0$	$V\beta \geqslant 0$	Sector=1
$\left \| V\alpha \right \| \leqslant \left \| \frac{V\beta }{\sqrt{3}} \right \|$	$V\beta \geqslant 0$		Sector=2
$\left \| V\alpha \right \| \geqslant \left \| \frac{V\beta }{\sqrt{3}} \right \|$	$V\alpha \leq 0$	$V\beta \geqslant 0$	Sector=3
$\left \| V\alpha \right \| \geqslant \left \| \frac{V\beta }{\sqrt{3}} \right \|$	$V\alpha \leq 0$	$V\beta \leq 0$	Sector=4
$\left \| V\alpha \right \| \leqslant \left \| \frac{V\beta }{\sqrt{3}} \right \|$	$V\beta \leq 0$		Sector=5
$\left \| V\alpha \right \| \geqslant \left \| \frac{V\beta }{\sqrt{3}} \right \|$	$V\alpha \geq 0$	$V\beta \leq 0$	Sector=6