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FOC之力矩控制模式

发布时间：2024-04-10 05:09:11 来源：博亿堂娱乐官方网站

FOC又称矢量控制，是经过控制变频器输出电压的幅值和频率控制三相直流无刷电机的一种变频驱动操控方法。FOC的实质是运用坐标变换将三相静止坐标系下的电机相电流转换到相对于转子磁极轴线静止的旋转坐标系上，经过控制旋转坐标系下的矢量大小和方向达到控制电机目的。由于定子上的电压量、电流量、电动势等都是交流量，并都以同步转速在空间上不断旋转，控制算法难以实现控制。通过坐标变换之后，旋转同步矢量转换成静止矢量，电压量和电流量均变为直流量。再根据转矩公式，找出转矩与旋转坐标系上的被控制量之间关系，实时计算和控制转矩所需的直流给定量，从而间接控制电机达到其性能。由于各直流量是虚构的，在物理上并没有实际意义，因而还需通过逆变换变为实际的交流给定值。

1、测量电机运行时三相定子电流，可得到Ia、Ib、Ic。将三相电流通过 Clark 变换至两相电流Iα和Iβ，其是相互正交的时变电流信号。

2、Iα和Iβ通过Park变换得到旋转坐标系下的电流Id和Iq 。在电机达到稳定状态时，Id和Iq 是常量。此时所使用的转子位置为上一次迭代计算出来的角度值。

3、Id的参考值决定了电机转子磁通量，Iq 的参考值决定了电机的转矩输出大小，二者各自的实际值与参考值进行比较得到的误差，作为电流环PI控制器的输入。通过PI控制计算输出得到Vd和Vq, 即要施加到电机绕组上的电压矢量。

4、有传感器FOC根据Hall信号或者通过无感估算计算出转子位置和电机转速。新的转子角度可告知 FOC算法下一个电压矢量在何处。计算出的电机转速将用于电机状态的切换，环路切换，堵转保护等子功能模块的数据支持。

5、利用新的电机角度，Vd和Vq 经过 Park 逆变换到两相静止坐标系上。该计算将产生下一个正交电压值 Vα、 Vβ。再采用 SVPWM 算法判定其合成的电压矢量位于哪个扇区，计算出三相各桥臂开关管的导通时间。最后经过三相逆变器驱动模块输出电机所需的三相电压。

基于电压的力矩控制是最基本的力矩控制模式，它为你提供了一个抽象的无刷直流电机，以便你能控制它作为直流电机。

它基于简单的欧姆定律(忽略了电流动态特性)，因此不需要任何电流检测相关的硬件。这种力矩操控方法无论其有没有电流感应，都能够在任何无刷直流电机驱动板上工作。

基于直流电流的力矩控制能够像控制直流电机那样控制无刷电机。电流检测用于获取通过电机的电流的大小及方向，我们假设力矩和总电流是成正比的。这种模式好处在于可以非常精确地控制无刷电机的实际电流，一些性能较低的处理器（如ATMega328系列）也能有较快较稳定的效果。

基于直流电流的力矩控制是唯一真正的力矩操控方法。它控制电流 q 和 d的两个分量。我们假设力矩与 q 电流分量成比例，并控制电流的 d 分量保持等于0。

获得转的角度和现在给的电压，算法给出三项电压，FOC算法确保这些电压产生的磁力恰好与电机转子的永磁场偏移 90度，来保证了最大力矩，这称为换向。

假设电机产生的力矩与设定电压 Uq 成正比，也就是说最大力矩与Uq 有关，而这个Uq 则受到供电电压的限制。最小力矩当然即Uq = 0。

该算法从位置传感器读取角度 a。相电流通过逆Clarke和简化的Park变换转换为直流电流iDC。

而后，PID控制器利用目标电流Id和测量电流iDC计算出相应的设置到电机的电压值Uq，而Ud始终保持为0。

最后，FOC对电机设置相应的ua, ub 和 uc 。FOC会确保这些电压产生的磁力恰好与电机转子的永磁场保持90度偏移，来保证了最大力矩，这称为换向。

这种力矩控制模式是假设在电机的力矩是和电机的直流电流iDC成比例的（iDC=iq），因此能通过控制电流来实现力矩的控制。但是这种假设仅限于低速的情况，在高速情况下，id分量会变得很高，致使iDC=iq就不成立了。

FOC电流力矩控制算法读取无刷直流电机(通常为ia 和 ib)的相电流。此外，该算法从位置传感器读取角度 a 。

相电流通过逆Clarke和Park变换转换为 d 分量电流 id 和 q分量电流 iq 。而后，每个相PID控制器利用目标电流Id和测量电流值 iq 和 id计算出相应的设置到电机的电压值Uq和Ud，以保持iq=Id,id=0。

通过测量相电流，力矩控制算法能保证这些电压生成在电机转子中产生合适的电流和磁力，并恰好与电机转子的永磁场保持90度偏移，来保证最大转矩，这称为换向。电机产生的力矩与q分量的电流 iq成比例，这原理使这种力矩控制模式成为无刷直流电动真正的力矩控制。

简单来说，voltage control mode是最简单的接近电机力矩控制的方法。它基本在任何电机+驱动器+mcu的组合中运行。

FOC current mode 是真正的电机力矩操控方法，不同于前两者的“近似”，因此也需要电流传感器，也比DC current mode对MCU的解决能力有更高的要求。

电压模式直接给目标电压，电流模式就是给的电流，其实和上面的模式比较就是一个相电阻的变化。

FOC（Field-Oriented Control）即“场向控制”或“矢量控制”，是电机控制领域中一种高级控制技术，也是目前较为先进的电机操控方法之一。 FOC的工作原理是将电机的电流矢量控制在电机的定子电磁场方向上，使得电机的转矩方向与转子磁场方向一致，来保证电机输出的旋转力矩最大，运行效率和性能最优。FOC的操控方法将转子的磁场视为一个旋转矢量，通过逆向旋转一个同频率的定值矢量来控制电机的磁场，以此来实现对电机的控制，这样的形式也被称为“矢量控制”。 FOC的优点是控制精度高，能够迅速精准地控制电机的角速度、转矩和位置，还能轻松实现电机的双向转矩控制，使得电机的性能更优化，同时系统也更加可靠和稳定。 FOC广泛应用

的三电平PWM整流器仿线引言随着电力电子装置的广泛应用，大量低功率因数的二极管不控整流和晶闸管相控整流设备仅能实现能量的单向输送，对电网的谐波污染严重。可逆PWM整流器不仅仅具备能量可双向传输、网侧电流正弦及达到单位功率因数等特点，还解决了传统整流装置中存在的诸多问题，近年来慢慢的受到关注，具有广阔的应用前景。在中高压大功率的应用场合，三电平PWM整流器应用比较广泛，它的功率因数达到1，具有两电平所不可比拟的优点。目前三电平PWM整流器，主要是采用电压定向矢量控制方式，此时需要检测电网电压、输入电流和直流母线电压，众多传感器及其信号处理电路带来高成本及复杂性问题。因此，与电机高性能控制相类似，以去掉传感器为目的，降低系统成本和提高可靠性

的三电平PWM整流器仿真研究 /

本文分享foc电机控制算法的调试经验，针对的场景是往一套新的控制板卡上移植一套电机控制系统软件。具体调试过程是发波= 电流反馈= 环路= 角度将调试过程分解为以下步骤。确认pwm模块正常确认svpwm发波正常确认电流反馈正常引入电机角度评估角度精度下文中对移植调试的步骤分解，并给出每一个调试步骤的软件框图。 1、确认pwm模块正常 1.1、确认母线电压和实测值一致。 1.2、三相输出悬空，三相输出寄存器分别给固定占空比，测量各相对的波形，看是否和给定占空比一致。 2、确认svpwm发波正常 2.1、连接电机或其他三相对称负载。 2.2、参考以下框图，选取较低频率，生成固定转速强制角。给电压

算法的调试经验总结 /

导读：本期主要介绍异步电机矢量控制在滞环CHBPWM调制和SVPWM调制下的控制性能对比。一、引言应用PWM控制技术的变压变频器通常为电压源型，它能够准确的通过所需的设计参数来控制输出电压。对于交流电机而言，需要保证其输出电流为正弦波电流，因为只有在交流电机绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使其合成的电磁转矩为不含脉动分量的恒定电磁转矩。所以，要对电流采用闭环控制的方法，这比电压开环控制能获得更好的性能。传统SPWM控制技术并未考虑到输出电流的情况，它主要是使得变压变频器的输出电压为正弦波。电流滞环跟踪控制PWM （CHBPWM），直接控制输出电流使其接近于正弦波。而异步电动机为了在电机内产生旋转的圆形磁场，从而发出恒定电磁转矩

的SVPWM和滞环调制对比 /

本文介绍了怎么样去使用普传PI7000矢量控制变频器的主板端子功能、保护功能等实现混合动力电动汽车的低频大转矩及通过汽车油门信号的大小进行调速的工艺技术要求。同时实现了节能与环保；着重介绍了变频器在混合动力电动汽车系统中的工作原理，变频器矢量控制的功能参数设置及调试方法，变频器常见故障及排除措施。 1、引言混合动力电动汽车是指以蓄电池组作为动力源，用电动机与发动机驱动车轮行驶电动机不排放有害化学气体并且与发动机混合驱动可以大幅度减少有害气体的排放量。目前城市大气污染总量的半数以上来自燃油汽车尾气，从大气环保出发，自20世纪60年代开始，以电力电子为基础的电气传动技术的进步，为混合动力电动汽车的开展提供了先进的物

变频器在混合动力电动汽车中的应用 /

1 引言在高性能的异步电机矢量控制管理系统中，转速信息的获取必不可少。电机速度信息的辨识方法分为直接法和间接法。前者通过电子式或机电式速度传感器来获取电机速度信息，通常分为M法和T法来进行测速；后者经过测量电机的定子电流、定子电压等信号，根据电机的模型间接估计辨识电机的转速信息。然而由于速度传感器的安装给系统带来了如成本增加，易受干扰，适应性差，加大电机体积和轴向尺寸等问题，因此对无速度传感器转速估算方法的研究成为高性能交流调速的主要发展趋势。使用无速度传感器控制方案，无需速度检测硬件，避免了速度传感器带来的诸多问题，提高了系统可靠性，降低了系统成本，同时，减小了系统体积和重量，减少了电机与控制器的连线，使采用无速度传感器的交

(寇宝泉，程树康编著)

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