FOC算法与SVPWM详解

FOC算法与SVPWM详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/jiangrenkuo/article/details/146205281

磁场定向控制（FOC）是一种用于电机控制的先进技术，通过坐标变换实现对电机磁场和转矩的解耦控制。本文将详细介绍FOC算法与SVPWM（空间矢量脉宽调制）的相关内容。

一、FOC简述

FOC（Field Oriented Control）即磁场定向控制，是一种用于电机控制的先进技术。它通过坐标变换，将电机的定子电流分解为励磁电流和转矩电流，实现对电机磁场和转矩的解耦控制。FOC能使电机在不同工况下都保持良好的性能，具有高精度、高动态响应、高效率等优点，可提高电机的运行稳定性和可靠性，降低能耗。广泛应用于工业自动化、电动汽车、机器人等领域，是现代电机控制的核心技术之一。

二、FOC流程

1. 对电机三相电流进行采样，获得Ia、Ib、Ic。
2. 进行克拉克变换和帕克变换（需要电机电角度，在有感FOC中可由编码器获取）。克拉克变换就是将三相静止坐标系（a-b-c坐标系）下的物理量转换到两相静止坐标系（α-β坐标系），帕克变换就是将静止的坐标系变换成旋转的（跟随采集到的电流的变化旋转，使正弦电流变成直线）。
3. 帕克变换之后得到Iq和Id（Id我们希望它等于0），将这两个值放到PI控制器得到Uq和Ud（电流环PI控制，当然我们也可以加入速度环和角度环）。
4. 再进行帕克逆变换（进行PI控制后的量我们再让它旋转起来，因为给电机的是正弦型的电压），将结果放入SVPWM算法中（SVPWM算法输入U_alfa、U_beta，输出的就是控制三相逆变电路的Ia（A相）、Ib（B相）、Ic（C相））。
5. SVPWM控制逆变器驱动电机。

三、克拉克变换

我们在采集三相电流之后，需要先进行克拉克变换。克拉克变换是将三相静止坐标系（a-b-c坐标系）下的物理量转换到两相静止坐标系（α-β坐标系）下的变换方法。在交流电机控制中，三相系统的分析和控制较为复杂，通过克拉克变换可以将三相问题简化为两相问题，降低计算复杂度。

四、帕克变换

帕克变换是将两相静止坐标系（α-β坐标系）下的物理量转换到两相旋转坐标系（d-q坐标系）下的变换方法。在d-q坐标系中，电机的控制方程可以得到进一步简化，实现对电机的磁场和转矩的解耦控制。

五、帕克逆变换

帕克逆变换是帕克变换的逆过程，它将两相旋转坐标系（d-q坐标系）下的物理量转换回两相静止坐标系（α-β坐标系）下，以便生成用于驱动电机的三相电压或电流信号。

在电机控制中，经过PI控制算法得到d-q坐标系下的控制量后，需要通过帕克逆变换将其转换回α-β坐标系，再经过SVPWM得到三相控制信号，从而实现对电机的精确控制。

我们所做的各种变换就是为了将电流值从正弦变成直线，方便进行PI控制，然后将控制输出再变回去，控制电机。

六、SVPWM

1. 逆变器开关状态与电压矢量：以三相电压型逆变器为例，它有6个功率开关器件，通过控制这些开关器件的通断，可以得到8种不同的开关状态，对应着6个非零电压矢量和2个零电压矢量。例如，当A相上桥臂开关导通，B、C相下桥臂开关导通时，输出的电压矢量为V1；当所有上桥臂开关导通或所有下桥臂开关导通时，输出的是零电压矢量V0或V7。
2. 扇区划分：将电压空间矢量平面划分为6个扇区，每个扇区为60°。根据当前电压空间矢量所在的扇区，可以确定需要合成该矢量的两个相邻非零电压矢量和零电压矢量。例如，若电压空间矢量位于第一扇区，则需要使用V1和V2以及零电压矢量来合成。
3. 矢量合成与占空比计算：根据伏秒平衡原理，在一个采样周期内，通过合理分配相邻非零电压矢量和零电压矢量的作用时间，使得合成的电压空间矢量与参考电压矢量相等。以第一扇区为例，假设参考电压矢量Vref在该扇区，通过计算Vref在V1和V2方向上的投影，得到V1和V2的作用时间T1和T2，再根据采样周期Ts，计算出零电压矢量的作用时间T0 = Ts - T1 - T2。
4. PWM信号生成：根据计算得到的各电压矢量的作用时间，生成相应的PWM信号，控制逆变器开关器件的通断。例如，在一个采样周期内，先施加T1时间的V1对应的开关状态，再施加T2时间的V2对应的开关状态，最后施加T0时间的零电压矢量对应的开关状态，从而实现对逆变器输出电压的控制，达到控制电机运行的目的。

利用下图的三相逆变电路控制A、B、C三相的开关产生不同的磁场，进而控制电机转子转动，快速连续进行就可以使电机转起来。

三相逆变电路

• 三相逆变电路上下桥不能同时导通。
• 上桥开通下桥关断定义为状态1
• 上桥关断下桥开通定义为状态0
  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。我们打开第一组半桥的上桥臂、第二组和第三组半桥的下桥臂（其余的关闭），那么就可以让流从电源正极流过电机的a相，流经b、c相，然后回到电源负极。

七段式时间分配

在扇区1时，合成目标矢量的是v1（100）和v2（110）以及0矢量（000），（111）。因为0矢量要平均分配，所以t0/2（000是低电平，111是高电平，高电平占一半），而v1和v2在A相都是1，所以Ta=t1+t2+t0/2。而v1在B相为0，所以时间不计（计算的时间是作用时间，即上桥臂打开的时间）。所以Tb=t2+t0/2。而v1,v2在C相都是0，所以Tc=t0/2。Ta,Tb,Tc就是三路PWM波的高电平时间，即对应A,B,C三相逆变电路的上桥臂开通时间。

注意：不同扇区下，t1,t2对应的开关状态是不同的。

设置互补输出和死区时间

1. 选择合适的定时器：通常，高级定时器（如TIM1、TIM8）支持互补输出和死区时间设置，适合用于驱动三相逆变器。在STM32CubeMX的“Pinout & Configuration”选项卡中，选择一个高级定时器，例如TIM1。
2. 配置定时器的基本参数：时钟源、预分频器、自动重载值等。
3. 配置PWM输出通道：通道模式、PWM模式、占空比等。
4. 启用互补输出：在定时器的配置选项中，找到“Output Compare Mode”部分，对于每个通道，启用互补输出（Complementary Output）。
5. 设置死区时间：在定时器的配置选项中，找到“Dead Time and Break Inputs”部分，设置死区时间的值。
6. 使能刹车功能（可选）：如果需要刹车功能，可以在“Dead Time and Break Inputs”部分启用刹车输入（Break Input），并设置相应的参数。

七、FOC的优势

1. 低转速下控制：由于控制原理的区别，无刷电调只能控制电机工作在高转速下，低速下很难控制；而FOC控制器则完全没有这个限制，不论在什么转速下都可以实现精确控制。
2. 电机换向：同上面的理由，由于无感电调无法反馈转子位置，因此很难实现电机正反转的换向；而FOC驱动器的换向性能极其优秀，最高转速下正反转切换可以非常顺畅；此外FOC还可以以能量回收的形式进行刹车控制。
3. 力矩控制：普通电调都只能控制电机转速，而FOC可以进行电流（力矩）、速度、位置三个闭环控制。
4. 噪音：FOC驱动器的噪音会比电调小很多，原因是普通电调采用方波驱动，而FOC是正弦波。

本文原文来自CSDN