剖析无刷电机的 FOC 磁场定向控制理论
磁场定向控制（FOC，Field-Oriented
Control）是一种用于无刷电机（BLDC）、永磁同步电机（PMSM）的矢量控制算法，其核心思想是将电机定子的电流分解为两个正交的分量：用于产生
磁场 的励磁分量 d
轴和用于产生 转矩 的转矩分量
q 轴。通过对电机的 转矩 和 磁场
进行独立的控制，从而达到快速响应和精确控制的目的，并且降低运行时的噪音和振动。整个算法处理过程可以大致划分为坐标变换、电流控制、逆变换、SVPWM
空间矢量调制 四个阶段。
坐标变换阶段：将三相定子电流（\(I_a, I_b, I_c\)）通过 Clarke 变换转换为两相静止坐标系（\(I_\alpha, I_\beta\)），再通过 Park 变换将静止坐标系转换为旋转坐标系（\(I_d, I_q\)），其中 \(I_d\) 控制磁场，\(I_q\) 控制转矩。电流控制阶段，通过 PI 控制器调节 \(I_d\) 和 \(I_q\)，使其跟踪参考值。\(I_d\) 的参考值通常设置为零（对于永磁同步电机）或根据需要进行调节（对于感应电机）。\(I_q\) 的参考值由转矩需求决定。逆变换阶段，将旋转坐标系下的电压（\(V_d, V_q\)）通过逆 Park 变换转换回静止坐标系（\(V_\alpha, V_\beta\)），再通过逆 Clarke 变换生成三相电压信号，用于驱动逆变器。空间矢量调制阶段：将生成的电压信号调制为 PWM 信号，控制逆变器开关驱动电机。
FOC 矢量控制概述
FOC 算法的处理过程可以划分为坐标变换、电流控制、逆变换、空间矢量调制（SVPWM）四个阶段：
- 坐标变换阶段：
- 将三相定子电流（\(I_a, I_b, I_c\)）通过 Clarke 变换转换为两相静止坐标系（\(I_\alpha, I_\beta\)）。
- 再通过 Park 变换将静止坐标系转换为旋转坐标系（\(I_d, I_q\)），其中 \(I_d\) 控制磁场，\(I_q\) 控制转矩。
- 电流控制阶段：
- 通过 PI 控制器调节 \(I_d\) 和 \(I_q\)，使其跟踪参考值。
- \(I_d\) 的参考值通常设置为零（对于永磁同步电机）或根据需要进行调节（对于感应电机）。
- \(I_q\) 的参考值由转矩需求决定。
- 逆变换阶段：
- 将旋转坐标系下的电压（\(V_d, V_q\)）通过逆 Park 变换转换回静止坐标系（\(V_\alpha, V_\beta\)）。
- 再通过逆 Clarke 变换生成三相电压信号，用于驱动逆变器。
- 空间矢量调制（SVPWM）阶段：
- 将生成的电压信号通过 SVPWM 技术调制为 PWM 信号，控制逆变器开关，从而驱动电机。
实现 FOC 算法，硬件上需要处理如下三个关键技术：
- 高精度电流采样：需要准确测量电机的三相电流。
- 高速处理器：如 DSP 或 ARM Cortex-M4/M7，用于实时计算和控制。
- 位置/速度传感器：如编码器或旋转变压器，用于获取转子位置信息（对于无传感器 FOC，可以通过算法估算位置）。
剖析无刷电机的 FOC 磁场定向控制理论
