BLDC电机控制算法——FOC简述(偏公式)

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;
FOC(Filed Oriented 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IdId 。之后我将详细介绍一下这个算法的数学原理和一些自己的理解。

FOC矢量控制总体算法简述

输入:位置信息,两相采样电流值,(3相电流、电机位置或者电机速度)
输出:三相PWM波
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。
首先是通过ADC采样得到电机的ia,ibia,ib ,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。

其他的一些知识总结:

FOC与DTC控制区别

(参考知乎一位大神的):
来源:https://www.zhihu.com/question/265079828/answer/291686684
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。

市场上电调分类

1、FOC电调:矢量控制,效率高,转矩脉动小,电机噪音小,减速制动快
2、普通电调:六步换向控制,方波驱动
STM32有BLDC开发套件

BLDC电机控制算法:

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;

电机方面的知识:

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;

自己的一些经验:

1、计算角度信息一定要用电角度,而不能直接计算
2、电机的最高转速与电流和编码器采样频率也有一定关系;

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