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BLDC电机控制算法——FOC介绍

来源：半岛在线登录官网发布时间：2024-03-15 06:14:55

最近做完了一个直流无刷电机的电机调速项目，查阅了各种大神所写的博客和论文，在这里我只做一下小小的总结：（PS最近有遇到相关课题，发现以前的描述并不完整，因此又补充了一些。）

FOC（FiledOriented Control）是采用数学方法实现三相马达的力矩与励磁的解耦控制。

主要是对电机的控制电流进行矢量分解，变成励磁电流I d IdId 和交轴电流I q IqIq ，励磁电流主要是产生励磁，控制的是磁场的强度，而交轴电流是用来控制力矩，所以在实际使用的过程中，我们常令I d = 0 Id=0Id=0 。之后我将详细的介绍一下这个算法的数学原理和一些自己的理解。

所需硬件：两个ADC，一个光电或磁编码器，主控，依据电压等级的不同有mosfet或者IGBT或者SiC功率模块组成的三个半桥

FOC算法在本质上就是一些线性代数中的矩阵变换，我在这里讲述的是有传感器的FOC算法，转子的位置信息是通过绝对式磁编码器反馈的，直接是数字量。

两项电流信息，由于基尔霍夫电流定律，同一个节点流入电流值与流出电流相等，我们大家可以计算出

第二步：通过Clark变换，将三相定子坐标系（三个轴互为120°****

这个过程有点类似于力的矢量分解，把三相映射到两相的坐标轴之上，如下图所示。

因为我们主要控制的是转子的旋转，所以要通过Park变换将两相定子坐标系变换到两相转子坐标系（

该位置信息便是由磁编码器返回的绝对角度信息，（其实也可以用增量式编码器，我感觉应该只是在电机位置校准的时候需要定义零点，其他的应该一样，我暂时还没有做过，属于猜想的，当然有的还能够最终靠无位置的控制方式，通过三相采样电流值计算转子位置信息，还有必须要格外注意的是得到的是角度信息，我们应该将其转化为电角度信息，电角度 = 角度 ∗ 磁极对数电角度=角度*磁极对数电角度=角度∗磁极对数）,其中

当励磁电流分量为0时，磁通完全由永磁体提供。电机所有的电流全部用来产生电磁转矩，只用控制

就可以控制电机转矩，就实现了电机的静态解耦。（其实这里很好理解，根据左手定则，F=BIL，这个公式中L是电机的固有参数，B磁通由两部分所组成，一是由永磁体提供，二是由电流变化产生磁场；所以如果我们要实现给定的力距，需要控制单一变量：电流，则需要让B保持恒定，也就是使

这里必须要格外注意有一个前提调节，那就是你已经基本调通了SVPWM波，电机可以正在旋转了，FOC控制算法主要是电机的稳定性控制，而不是电机本体的驱动。

( 参考电流值），通过与实时采样电流比较，调节电流环PID，调节的目标是启动响应速度足够快，平稳运动波动足够小，通过DAC输出实时采样电流来进行调试；

SVPWM是磁场定向控制中常用的PWM波调制技术。其全称是空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation）是由三相功率逆变器的六个功率开关原件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波。理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。

，且相互之间相位差为120°，假设U m 为相电压的有效值，f为电源频率，则有：

是一个旋转的空间矢量，幅值不变，为相电压的峰值，且以角频率w=2πf按逆时针方向旋转，其在三相坐标轴上的投影就是对应的三相正弦量。

其实SVPWM算法的原理我也搞得有点懵，不过应用上倒是相对简单，可以把SVPWM算法想象成一个字典，根据

1、首先应该调试ADC和编码器，看是不是能够得到正确的采样电流和编码器数值；

参考值，通过实时采样电流，调节电流环的PID，调节的目标是启动响应速度足够快，平衡运行波动足够小，通过DAC输出实时的采样电流来进行观测调试（这里我直接在算法中让

，调节的目标是根据在足够宽的速度范围内平稳启动和运行。可以采用专家PID算法；

5、位置环调节，输出为速度，调节目标，从一个位置快速的到达另一个位置来回跑，停止静差足够小，速度增减足够快，即瞬时速度大且需要合理的根据位置路径的长度规划一个速度曲线。

注意：如果要达到较高的速度精度，可能需要针对不同的速度值设置不同的速度PID参数，且需要进一步实时的调节观测器、PLL及速度PID参数。

FOC（电机矢量控制）要求严格的转子磁场定向，对于BLDC电机而言转子磁场方向始终与转子位置一致，因此其控制输入需要准确的转子绝对位置信号

DTC（直接转矩控制）实际上与基于定子磁场定向，而定子磁场则是依据电压积分估算获得，在这个过程中跟转子位置没有关系，其控制过程中用到的量也都是静止坐标系下的量，因此DTC控制相比于FOC控制要简单很多，完全不需要求解三角函数、坐标变换，如果需要用DTC进行速度闭环则需要测量电机的速度，但是依然不需要准确的绝对位置。

总结下来，从硬件的角度DTC相比于FOC可以省略一个位置传感器！当然，现在有很多改进的DTC算法需要用到电机的绝对位置。

但是在电机控制中，无论是DTC控制还是FOC控制，最后倒要基于PID调节实现稳定控制。

PID控制，专家PID控制，模糊PID控制，神经PID控制，基于遗传算法整定的PID控制，鲁棒控制，滑膜控制等；

1、根据《无刷电机控制系统》中所讲述：目前国内外对无刷直流电机的定义一般有两种：一种定义认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可以称为无刷直流电机，而正弦波无刷电机则被称为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）；另一种定义认为梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是直流无刷电机。

2、直流电机的调速是用直流电压来控制，电压越高，转的越快，不过单片机并不能输出可调的直流电压，于是只好变通采用PWM的方式来控制电机的输入电压。PWM占空比越高，等效电压就越高，当然单片机给出的PWM波形只是控制信号，而且最高电压只有5V，其能量并不足以驱动无刷直流电机，所以必须要再接一个功率管来驱动电机，功率管可以是MOSFET（场效应管），也可以是IGBT（绝缘栅双极晶体管）。

3、一般而言，电机的绕组数量都和永磁极的数量是不一致的（比如用9绕组6极，而不是6绕组6极），这是为了防止定子的磁极与转子的磁钢相互吸引对其，产生类似于步进电机的效果，此种情况下转矩会产生很大的波动。

4、外转子无刷直流电机比内转子电机要慢，但是力矩更大，例如四旋翼等可以不通过减速器直接驱动螺旋桨旋转。

5、无刷直流电机KV值定义为：转速/V，意思是输入电压每增加1V，BLDC电机空转转速增加的转速值。同系列同外形尺寸的无刷电机，根据绕线匝数的多少，会表现出不同的KV特性。绕线匝数多的，KV低，最高输出电流小，扭力大；绕线匝数少的，KV高，最高输出电流大，扭力小；

0 引言在通常以微控制器如DSP为控制核心进行电机控制系统的实验开发过程中，由于要编写大量的程序代码而需要大量的编程时间，而且如果控制系统算法需要更改或增加则又需较多时间来更改软件，因此实验开发周期长，不利于控制算法的研究和实际应用。 dSPACE是由德国dSPACE公司开发的一套基于Matlab／Simulink的控制系统开发及测试的设备，它实现了和Matlab／Simulink的完全无缝连接，可以很好地完成控制算法的设计、测试与实现，有效克服了传统控制系统开发存在的上述问题。它具有运算速度快、使用方便和界面友好等优点。dSPACE实时系统功能强大，它既可以和实际控制对象相连(称为快速控制原型)，这时它起到主

1. 引言 Cypress在2013年推出了可编程片上系统PSoC（Programmable System on Chip）家族的最新产品PSoC4，采用ARM Cortex-M0作为处理核心。PSoC4完全继承了PSoC芯片家族本身的高度可编程的灵活性，并融合了Cortex-M0高性价比的处理器核架构，使得PSoC4系列产品成为一个具有高度可扩展性的处理器平台，在性价比、功耗等方面优势显著。更值得一提的是，PSoC4针对电机控制提供了完整和极具特色的片内资源，因此工程师在PSoC4上开发电机控制系统时将更加直观与快捷。 PSoC4产品系列目前推出的是CY8C4100和CY8C4200两个入门级产品系列。本文即以CY8C42

当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如去驱动步进电动机）时，需要用PID的增量算法。增量式PID控制算法可以通过（2-4）式推导出。由(2-4)能够获得控制器的第k-1个采样时刻的输出值为： (2-5) 将（2-4）与（2-5）相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为：（2-6）其中由（2-6）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由（2-6）求出控制量。增量式PID控制算法与位置式PID算法（2-4）相比，计算量小得多，因此在实际中得到广泛的应用。

出于对环境保护的考虑，预计更新的法规会不断颁布出来，以要求开发更加节能高效的家用电器，例如洗衣机或空调。迄今为止，只有少数几家供应商推出的专有解决方案，提供了尖端的电机控制技术，可支持能效更高、噪声更低的电器。不过，现在有了崭新的变化——得益于新一代数字信号控制器(DSC)，以高成本效益方式实现高级电机控制算法已成为现实。以要求通过改变电机速度来快速响应洗涤和漂洗过程的洗衣机为例。为了让洗衣机能够完成这一任务，设计人员需采用高级电机控制算法。在众多可用的高级电机控制技术中，场定向控制(FOC)技术脱颖而出，它可帮助人们设计节能安静的洗衣机。假设读者已具有FOC算法的应用知识，本文从采用DSC实现基于FOC的无传感器PMSM控

算法实现基于DSC的无传感器永磁同步电机控制 /

无线网络的日益发展使得其能够支持各种类型的业务，因此需要保证各类业务的QoS，同时要提高系统利用率，为此需要引入有效的接纳控制算法到无线资源管理机制中。IEEE802．16作为目前热点宽带无线接入技术，定义了MAC层和PHY层的机制。但是标准中对接纳控制以及调度算法并没有定义，只是采用简单的先到先服务机制，具体优化留给了开发者。按照ITU-T和ATM论坛的定义，接纳控制是网络在新连接申请建立的时刻根据新连接的业务特性(用流量参数表征)、服务质量要求和网络资源(带宽，缓冲区)的当前状况对是否接纳此连接申请做出决策。考虑请求流的特性和资源需求，结合网络的当前资源状态，制定合适的接纳控制机制，必须既保证新接入流的带宽和时

电机最早出现在十八世纪，之后迅速全面普及，根据国际能源署 IEA-4E 组织 EMSA 数据，其消耗了全球生产能源的一半以上，数据来源：。国际能源署（IEA) 也表示，通常 95% 的电机生命周期成本，来自为其提供动力的电力，因此任何能够提高电机运行效率的技术方法都会受市场欢迎。 “智能” 控制就可以做到这一点，它不仅使电机在工作中更加灵活、高效，还能降低运行成本和能源消耗，减少环境影响或延长电池寿命。此外还通过立法促使解决这个问题。例如，IEC 60034-30-1 规定

控制解决方案 /

摘要本篇笔记主要记录基于恩智浦MPC5744P的电机FOC控制中电流的采样。准备工作安装S32DS for PA, 因为我们在S32DS下开发MPC5744P。安装S32DS 的SDK，我们使用最新版3.0.3 ADC 恩智浦的MPC5744P，含有的ADC子模块有四个，我们使用ADC0的通道0，和ADC1的通道0来做电流的同步采样，通过PWM触发CTU，CTU事件触发ADC电流采样，在CTU的中断中去获取电流的ADC值，经过滤波后就可以做电流算法的闭环控制，这个芯片的ADC 有两种模式。我们使用电机控制模式，使用内部集成的CTU去触发ADC转换。也能够使用etimer去触发ADC，这次我们采用

控制中电流的采样 /

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