FOC电机控制基础

FOC电机控制基础

一、FOC技术

1.什么是FOC？

FOC（field-oriented control）为磁场导向控制，又称为矢量控制（vectorcontrol），是一种利用变频器（VFD）控制三相交流马达的技术，利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制马达的输出。其特性是可以个别控制马达的的磁场及转矩，类似他激式直流马达的特性。由于处理时会将三相输出电流及电压以矢量来表示，因此称为矢量控制。是目前无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）高效控制的最佳选择。FOC精确地控制磁场大小与方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。由于FOC的优势明显，目前已在很多应用上逐步替代传统的控制方式，在运动控制行业中备受瞩目。

FOC按照电机有无传感器来区分可以分为有传感器FOC和无传感器FOC。对于有传感器FOC，由于电机的传感器（一般为编码器）能反馈电机转子的位置信息，因此在控制中可以不使用位置估算算法，控制起来相对无传感器FOC简单，但是对带传感器的电机应用来说，往往对控制性能要求较高。对于无传感器FOC，由于电机不带任何传感器，因此不能通过简单读取传感器的测量值来得到电机转子的位置信息，所以在控制中需要通过采集电机相电流，使用位置估算算法来计算转子位置。虽然无感FOC的控制难度较大，但是它可以避免传感器故障的风险，并且省去了传感器的成本，同时简化了电机与驱动板间的布线。目前，无感FOC多应用在风机类的场合中。

二、SVPWM

1.SVPWM原理

SVPWM是空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation)的简称，通常由三相逆变器的六个功率开关管组成，经过特定的时序和换相所所产生的脉冲宽度调制波，最终输出的波形可能会十分接近理想的正弦波形。具体如下图所示；左侧为复平面，即空间矢量，右侧为时域的正弦波形；

三、SPWM

1.PWM 控制的基本原理

冲量相等而开头不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 其中冲量指窄脉冲的面积；效果相同指环节输出响应波形基本相同。

2.SPWM 控制的基本原理

（1）原理介绍

SPWM的全称是(Sinusoidal PWM)，正弦脉冲宽度调制是一种非常成熟，使用非常广泛的技术；

基本原理就是面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同 。

换句话说就是通过一系列形状不同的窄脉冲信号，相对应时间的积分相等(面积相等)，其最终效果相同；

所以SPWM就是输入一段幅值相等的脉冲序列去等效正弦波，因此输出为高的脉冲时间宽度基本上呈正弦规律变化；

（2）采样方法

这里通常使用的采样方法是：自然采样法和规则采样法；

四、IQmath库

1.基本介绍

德州仪器公司TMS320C280X系列的IQmath库为C/C++程序收集了高度优化和准确的数学函数库，并精确地在TMS320C280X芯片上将浮点算法转换成定点算法的运算代码。这些函数被经常用在密集的实时计算且运行速度和精度又是至关重要的程序里。使用这些函数你能拥有比使用同等标准的ANSI C语言编写的代码更快的运行速度。此外提供可以使用的高精密功能的TI IQmath库明显缩短你DSP应用开发时间。

2.浮点数与定点数区别

浮点数应该是利用泰勒级数展开式进行求和运算，因此计算过程中会有很多浮点数的乘法和求和。而定点数则是利用基于CORDIC的迭代算法+查表算法（表值放在IQmath的库文件中），本质是利用平面坐标的旋转变换+迭代来实现三角函数的求解，并且这其中的过程仅仅使用了左移右移，因此几乎不消耗运算时间，所以这种算法速度非常快。

3.CORDIC算法原理

单片机或者FPGA等计算能力弱的嵌入式设备进行加减运算还是容易实现，但是想要计算三角函数（sin、cos、tan），甚至双曲线、指数、对数这样复杂的函数，那就需要费些力了。通常这些函数的计算需要通者查找表或近似计算（如泰勒级数逼近）等技术来转换为硬件易于实现的方式。

CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer, 坐标旋转数字计算方法)算法就是一种化繁为简的算法，通过基本的加减和移位运算代替乘法运算，逐渐逼近目标值，得出函数的数值解。

CORDIC算法能加快运算的根本原因是基本只用到了左移右移，而浮点数并不能通过左移右移来实现2的幂次倍乘除。所以这种算法也就只有定点数能够享受到啦。