电机控制----FOC框架讲解

在开始接触到FOC控制的时候便着手开始去学习深入理解其中的控制原理，个人对技术的追求是“知其然，亦要知其所以然”。因此便通过模块化学习做一些记录吧。首先将FOC的控制框架弄清，才知道自己想要了解的是什么。 FOC主要是通过对电机电流的控制实现对电机转矩(电流)、速度、位置的控制。通常是电流作为最内环，速度是中间环，位置作为最外环。本文只在电流环与速度环的基础上进行分析。

下图为FOC的整体系统框架图：

1.电流环

首先要考虑的是电流的采样反馈， 一般的电流采样硬件电路上的设计分为两种：单电阻采样以及双电阻采样。 由上控制框图中 Ia, Ib, Ic分别是A相、B相、C相的采样电流，一般的我们只需要对其中两相进行采样，由基尔霍夫定律：Ia+Ib+Ic=0计算得到第三相。其次考虑电角度θ和转速V的获取，一般的可以通过实时读取编码器的值以及霍尔传感器等计算得到。

进一步的在无感控制上，角度以及转速的获取还可以通过引入观测器的方式（我用的是卡尔曼滤波观测器（EKF））。

在得到三相电流和电角度后，实现步骤如下：
（1）三相电流Ia, Ib, Ic经过Clark变换得到Iα, Iβ；
（2）然后经过Park变换得到Iq, Id；
（3）然后将Iq和Id分别与他们的设定值Iq_ref, Id_ref计算误差值；
（4）然后分别将q轴电流误差值代入q轴电流PID环计算得到Vq，将d轴电流误差值代入d轴电流PID环计算得到Vd；
（5）然后对Vq, Vd进行反Park变换得到Vα, Vβ；
（6）最后经过SVPWM控制三相逆变器电路得到Va, Vb, Vc，最后输入到电机三相上。

2.速度环
当对PMSM进行速度控制时，需要在电流环外面加一个速度环，控制框图如下：

在图中，Vspeed_ref是速度设定值，Vspeed是电机的转速反馈。将计算得到的电机速度Vspeed与速度设定值Vspeed_ref进行误差值计算，代入PID速度环，计算的结果作为电流环输入的参考值；
（注：一般的d轴电流被设定为零(Id_ref=0)，因为d轴电流对于驱动电机的转动不会产生输出力，所以通常情况下都会将d轴电流设定为零(但不是总是设定为0的)；当Id_ref=0时，Iq_ref就等于了速度环的输出）

3.FOC控制各波形的形状
通过Matlab进行控制仿真的时候我们可以观察到(matlab仿真后续更新)：

（1）Vq和Vd的波形为：直线
（2）Id和Iq的波形为：直线
（3）Vα和Vβ的波形为：正弦波
（4）Ia、Ib、Ic的波形为：正弦波
（5）Iα和Iβ的波形为：正弦波
（6）Va、Vb、Vc的波形为：马鞍波

                                                                                                     2022.07.11-0:15

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