一、FOC控制算法的基本概念
FO C（Field-Oriented Control，磁场导向控制）是一项革新的电机控制技术，又被称作矢量控制（Vector Control）。其核心是透过变频器（VFD）来实现对三相电机的精准控制。本质上，FOC算法通过调节变频器的输出频率和电压的幅度与相位，来精细地控制电机的输出能力。由于该算法在处理过程中将三相输出的电流和电压表示为矢量形式，因此成为了矢量控制技术的重要组成部分。
二、FOC控制的原理
FOC所控制的关键在于电机的电磁场方向。转子所产生的转矩与定子磁场的向量及转子磁场的向量之间的矢量积成正比。理论上，当电机的转矩达到最大值时，定子磁场向量必须与转子磁场向量保持垂直关系。这意味着电流的大小和方向需要被精准控制，以确保在使用FOC算法操控无刷直流电机（BLDC）时，电机的输出达到最佳状态。
要实现这一目标，首要任务是保持稳定的三相输入电压和电流向量，同时实时监控转子的位置信息。在这个过程中，FOC算法贵在引入了空间电流矢量的概念，通过将三相电流矢量结合，分解为平行于转子磁体轴方向的分量和垂直于转子磁轴方向的分量。 二者之间的微妙关系至关重要：垂直电流分量则产生与转子磁场相垂直的磁场，进而产生旋转力矩，而平行电流分量则与转子磁场一致，从而不会产生转矩。此外，优秀的控制算法应尽可能减少平行于转子磁轴的电流分量，以降低能量损耗与热量产生，减少电机轴承磨损。因此，必须有效控制电流，使垂直于转子磁轴的电流分量达到最大化，转矩与该电流成正比。
为了优化电机的性能，使用P-I控制器来稳定控制三相电流的输入相当必要。这种方式的实施，通常需要两路P-I控制器：一条控制平行转子的电流，另一条则负责控制垂直电流。由于平行转子的电流受到零信号控制，从而使其最大限度减少，电机的电流矢量便能有效地转化为垂直的电流。
三相电流的控制当然离不开实时的转子位置确认。这里分为两种情况：一是带有传感器，二是没有传感器。
有传感器：利用编码器等设备反馈转子的位置信息，控制的复杂程度较低，在性能要求高的场合更为常见。
无传感器：则通过采集电机的相电流，运用估算算法计算转子位置，虽复杂但实现可能。
三、FOC控制的坐标变换理论
坐标变换理论的引入能大幅简化电机方程。通过将定子及转子变量变化到旋转坐标系（其转速为角速度ω），能够把问题从复杂化降低到简单化。 首先定义瞬时变量fax、fbx和fcx在相差120度的a、b、c坐标上。同时，fqx、fdx和f0x则是对应的变换变量，位于正交坐标d、q上。此种变换的方程有三种：
Clarke变换：适用于定子电流转变为静止坐标系。
Park变换：实现电流按随机速度旋转坐标的变换，有助于磁场定向控制。
反Park变换：将从旋转坐标中获得的电动势转换为静止坐标。
图示显示了Clarke变换应用于定子电流的过程、Park变换的电流应用及其逆运算变换。
FO C控制的程序运行步骤可以概述为：
通过ADC采样对BLDC电机的a、b两相进行电流采样；
应用Clarke函数将a、b两相电流转变为静止坐标系下的电流Iα、Iβ；
进一步运用Park函数将电流Iα、Iβ与旋转角度θ转化为Iq、Id；
将Iq、Id的电流差输入到P-I控制器中，反馈生成输出电压Vd、Vq；
通过传感器获取电机转动的角度；
进行逆Park变换，获得二轴电流量；
再次对Va、Vb进行逆Clarke变换，得出三相电压输入，驱动电机旋转。
四、扇区计算及AD采样
扇区计算包括对于PWM波形的合成，而每个扇区的状态计算方式通过数学公式确定。此时，NTpwm被定义为一系列基于系统特性决定的值，以计算基本矢量作用时间与三相PWM波形合成。
STM32的ADC模块，作为逐次逼近型模拟数字转换器，是实现这个复杂控制过程的另一个关键。ADC能够实现多通道、灵活的采样性能，确保在上升沿实践中介入中断采样，呈现精确采样值。为保证采样的准确性和及时性，采样过程中还须遵循适当的校准和稳定时间的控制策略。
总结：FOC算法的实现无疑使电机控制迈入了一个崭新的智能化阶段，细致周到的控制原理及运算过程，确保了电机在各类应用中的高效运行与持久耐用。通过精巧的硬件设计和精准的控制策略，FOC为现代电机技术提供了强有力的支撑，推动了各行业中的电机应用向智能与高效更进一步。返回搜狐，查看更多