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新手也可以看懂無(wú)感 FOC（一）
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搞電機(jī)的應(yīng)該都聽說(shuō)過(guò) FOC，那 FOC 究竟是什么？
FOC 是一種電機(jī)控制技術(shù)，全稱為 Field Oriented Control（磁場(chǎng)定向控制），也稱作矢量控制。該技術(shù)可以提高電機(jī)的效率、控制穩(wěn)定性和精度，廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，是目前無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）、永磁同步電機(jī)（PMSM）、感應(yīng)電機(jī)的高效控制的最優(yōu)方法之一。FOC 又分成無(wú)感 FOC 和有感 FOC，它們又有什么區(qū)別呢？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，
無(wú)感 FOC：通常采用單電阻、雙電阻，三電阻等方式進(jìn)行采樣，或者采用反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子位置計(jì)算，此方式對(duì)電機(jī)控制精度稍微較低，穩(wěn)定性不如有感 FOC，算法處理上更加復(fù)雜，但優(yōu)勢(shì)在于成本更低。
有感 FOC：使用磁傳感器，如霍爾，或者光學(xué)編碼器或者磁編碼器等傳感器來(lái)感知轉(zhuǎn)子位置和速度，使用此方式可以更在精確和穩(wěn)定進(jìn)行電機(jī)定位和轉(zhuǎn)速控制。
因此，它們?cè)趹?yīng)用上也有區(qū)別：一般無(wú)感 FOC 用于吹風(fēng)機(jī)、牙刷等不需要對(duì)電機(jī)精確定位的，而在于工業(yè)機(jī)床、機(jī)械臂等對(duì)精度有高要求時(shí)，用有感 FOC。
了解完無(wú)感 FOC 和有感 FOC 的簡(jiǎn)單區(qū)別以后，下面我們將著重介紹一下無(wú)感 FOC 的整個(gè)流程和原理。
FOC 的雙環(huán)控制（電流環(huán)、速度環(huán)）內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)，雙環(huán)控制通過(guò)控制電流的大小可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，整個(gè)雙環(huán)控制的框圖如下圖所示：
我們可以看到，框圖里的內(nèi)環(huán)是分成了六個(gè)步驟，整個(gè) FOC 的算法流程是這樣的：
1.采集三相電流 IA、IB、IC；
2.將三相電流進(jìn)行 Clark 變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流 Iα、Iβ 這是兩個(gè)正交的電流信號(hào)；
3.再將 Iα、Iβ 進(jìn)行 Park 變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流 Id、Iq；
4.Id 估算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 Speed_est 以及角度 θ；
5.計(jì)算轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速 Speed_est 與設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速 Speed_ref 的誤差
6.將誤差丟入 PI 控制器，執(zhí)行器輸出 Iq_ref；(肯定會(huì)有人疑問(wèn)為什么Id_ref=0，這個(gè)后面講)
7.計(jì)算 Id、Iq 與設(shè)定值 Id_ref、Iq_ref 的誤差；
8.將誤差分別丟入 PI控制器，執(zhí)行器分別輸出 Ud、Uq；
9.Ud、Uq 進(jìn)行反 Park 變換得到 Uα、Uβ；
10.最后 Uα、Uβ 經(jīng)過(guò) SVPWM 變成作用在三相上的電壓 UA、UB、UC；
看到這大家肯定疑惑了，這么多變換，FOC 到底控制的是什么？
首先我們看一下一個(gè) PMSM 電機(jī)勻速轉(zhuǎn)起來(lái)的時(shí)候，用示波器觀察它的三相電壓是三個(gè)兩兩相差 120° 的正弦電壓波型，如下圖所示：
那我們是不是可以理解為，當(dāng)我在三相上面輸入三個(gè)兩兩相位差為 120° 的正弦電壓的時(shí)候，電機(jī)就回勻速轉(zhuǎn)起來(lái)，那輸入所激勵(lì)的電流是不是也是正弦波？也就是如果我們利用算法將輸入電流按正弦波變化，電機(jī)就能轉(zhuǎn)起來(lái)了。
說(shuō)到這，其實(shí)大家就能明白，無(wú)感 FOC 其實(shí)就是在控制三相的電流按照正弦變化。但是呢我們?nèi)绻瑫r(shí)控制三個(gè)變量按照幅值不變的正弦波一樣在變化是很難做到的，控制器的設(shè)計(jì)也會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜，所以我們要簡(jiǎn)化控制變量，這時(shí)候就需要用到 Clark 變化和 Park 變換了。
這一節(jié)我就先帶大家了解 了：
- FOC 的概念
- 無(wú)感 FOC 和有感 FOC 的區(qū)別
- 無(wú)感 FOC 算法的流程
- 無(wú)感 FOC 到底在控制什么
