FOC基本原理

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什么是FOC

  磁场定向控制(Field-Oriented Control——FOC)，也称为矢量控制(Vector Control)，是一种对无刷电机的驱动方法，主要通过精准控制磁场的大小和方向来实现电机像素级控制

电机的分类

1. 直流电机
     直流电机还可以分为普通直流电机，直流减速电机，有刷电机，无刷电机
     普通的直流电机和直流减速电机相差的只有减速，构造上相差的是一个减速齿轮组。齿轮组牺牲转速以换取更大的扭矩。
     有刷和无刷的字面意思是有无碳刷；有刷电机电机工作时需要线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随电机转动的换相器和电刷来完成的。无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，使用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。
   

     有刷电机
     优点：结构简单，成本低，速度快，启动转矩大，运行平稳，制动效果好。
     缺点：摩擦大，损耗大，发热大，寿命短，效率低，功率低。
     无刷电机
     优点：低干扰，噪音低，运转顺畅，高速，电机使用寿命长。没有电刷磨损，火花等。重量轻，转速快。
     缺点：转矩小，功率不能太大，价格贵，开发复杂。应用场景：恒速设备，变频空调，冰箱。

2. 步进电机
     步进电机是一种可以将脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制电机，在空载低频的情况下，一个脉冲就是一步，可以精准的控制旋转角度
3. 伺服电机
     伺服电机是指在伺服系统中被控制的电机。如果单指一个电机的话，那只能算一个被控的机械元件，但是加上闭环控制系统就可以称之为伺服系统中的电机。
4. 舵机
     一种常见的伺服电机，由小型直流电机、控制电路板、电位计和齿轮组构成

如何驱动无刷电机

  如上所述，无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，这里的半导体开关器件主要指MOS管。无刷电机的驱动电路主要使用三相逆变电路来实现。
  所谓逆变电路，即把直流电变换为交流电，产生不同电流流向，对于无刷电机的驱动是需要在不同时刻施加不同方向的电压（电流）的，因此需要逆变电路。
  而逆变电路具体的实现则一般是采用半桥MOS电路来制作的。半桥电路的原型如下

  用3个半桥电路就可以组合成三相逆变电路，每个半桥引出的一根输出线跟无刷电机的一根相线相连，就完成了最基本的无刷驱动电路。原理方面，MOS管可以看作电压控制的高速电子开关，在MOS管的栅极（上图中的High Drive和Low Drive）施加高电平或者低电平，就可以控制MOS源极和漏极的导通或者关闭。

  驱动无刷电机需要在三相无刷电机的三相线圈上输入三相正弦电压，利用PWM技术可以将mos管的开关转换为连续变化的正弦波。

SPWM和SVPW

类似于双稳态触发器，通过一组三角波和正弦波即可确定所需的PWM波的占空比，对此PWM波进行低通滤波即可得到等效的正弦波(mos管利用的还是调制后的PWM信号，电机可看成感性负载，在PWM信号频率足够高的情况下得到的电流相当于经过低通滤波)，也叫做SPWM调制(正弦脉宽调制)。
  SPWM的缺点在于没有充分的利用电压，表现在两相电压的最大差值只有最大值的86.6%

SVPWM(空间矢量脉宽调制)可以很好的解决SPWM效率低的缺点
  三组半桥一共有8种组合方式，编码分别为：000、001、010、011、100、101、110、111。0代表半桥上臂关闭，下臂开启。这八种组合方式构成了电机的6个方向的电压矢量，以及两个零矢量

  这六个矢量将空间划分成了六个扇形区域，利用这六个空间电压矢量作为基向量可以合成任意方向和大小的向量
  对每一个扇形区域而言，选择相邻的两个基向量以及两个零矢量，按照伏秒平衡原则

1. 计算每个基电压矢量和零矢量在一个PWM周期内的作用时间，使得它们的综合效果等同于目标电压矢量
2. 在一个PWM周期内，各个电压矢量的作用时间乘以其对应的电压值的和，等于目标电压矢量乘以PWM周期的时间

  其中两个基矢量的作用时间可根据向量分解直接算出，两个零矢量的主要作用在于使空间矢量切换更加顺滑。由于mos管的开关次数有寿命限制，因此希望尽量减少mos管的开关次数
  使用类似格雷码的顺序切换空间矢量，在每一次的状态切换时只有一个相发生了转变，也即七段式SVPWM调制法

Clark变换和Park变换

  Clark变换和Park变换的本质是对三相电压的解耦以及线性化
  三相电压的向量是非正交的，由此可以利用Clark变换其投影到α-β平面上，使用两个变量来表示三相电压

  Clark变换后的变量依然是非线性的正弦信号，因此可以构建一个旋转的平面，原先非线性的信号可以看作新平面下两个恒定的基向量旋转过程中的投影这个过程叫做Park变换

FOC算法的流程图

1. 对电机三相电流进行采样得到 $i_a,i_b,i_c$
2. 将 $i_a,i_b,i_c$ 经过Clark变换得到 $i_{\alpha },i_{\beta }$
3. 将 $i_{\alpha },i_{\beta }$ 经过Park变换得到 $i_q,i_d$
4. 计算 $i_q,i_d$ 和其设定值 $i_{qRef},i_{dRef}$ 的误差
5. 将上述误差输入两个PID（只用到PI）控制器，得到输出的控制电压 $u_q,u_d$
6. 将 $u_q,u_d$进行反Park变换得到 $u_{\alpha },u_{\beta }$
7. 用 $u_{\alpha },u_{\beta }$ 合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制，输出该时刻三个半桥的状态编码值
8. 按照前面输出的编码值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动电机
9. 循环上述步骤

  在FOC控制中主要用到三个PID环，从内环到外环依次是：电流环、速度环、位置环，通过电流反馈来控制电机电流（扭矩） -> 然后通过控制扭矩来控制电机的转速 -> 再通过控制电机的转速控制电机位置。

  例如在力反馈旋钮中，需要给电机设定一个方向，当外力使电机偏离这个方向时能感受到一定的力反馈(电流环)，释放外力电机会以一定的速度(速度环)回到设定方向(位置环)