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BLDC電機(jī)控制算法——FOC簡(jiǎn)述

硬件攻城獅 ? 來(lái)源:CSDN-雪中嬉戲的柴犬 ? 2023-03-22 15:58 ? 次閱讀

最近做完了一個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)電機(jī)調(diào)速項(xiàng)目,查閱了各種大神所寫(xiě)的博客和論文,在這里我只做一下小小的總結(jié):(PS最近有遇到相關(guān)課題,發(fā)現(xiàn)以前的描述并不完整,因此又補(bǔ)充了一些。)

FOC(Filed Oriented Control)是采用數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)三相馬達(dá)的力矩與勵(lì)磁的解耦控制。

主要是對(duì)電機(jī)的控制電流進(jìn)行矢量分解,變成勵(lì)磁電流I d IdId 和交軸電流I q IqIq ,勵(lì)磁電流主要是產(chǎn)生勵(lì)磁,控制的是磁場(chǎng)的強(qiáng)度,而交軸電流是用來(lái)控制力矩,所以在實(shí)際使用過(guò)程中,我們常令I(lǐng) d = 0 Id=0Id=0 。之后我將詳細(xì)介紹一下這個(gè)算法的數(shù)學(xué)原理和一些自己的理解。

#FOC矢量控制總體算法簡(jiǎn)述

輸入:位置信息,兩相采樣電流值,(3相電流、電機(jī)位置或者電機(jī)速度)

輸出:三相PWM波

所需硬件:兩個(gè)ADC,一個(gè)光電或磁編碼器,主控,依據(jù)電壓等級(jí)的不同有mosfet或者IGBT或者SiC功率模塊組成的三個(gè)半橋

FOC算法在本質(zhì)上就是一些線性代數(shù)中的矩陣變換,我在這里講述的是有傳感器的FOC算法,轉(zhuǎn)子的位置信息是通過(guò)絕對(duì)式磁編碼器反饋的,直接是數(shù)字量。

第一步:根據(jù)AD采樣得到cff0a27e-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png兩相電流值;

通過(guò)ADC采樣得到電機(jī)的cff0a27e-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png兩項(xiàng)電流信息,由于基爾霍夫電流定律,同一個(gè)節(jié)點(diǎn)流入電流值與流出電流相等,我們可以計(jì)算出d004314a-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png。三個(gè)電流的相位差為120°。

d0166e82-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

d027b6b0-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

第二步:通過(guò)Clark變換,將三相定子坐標(biāo)系(三個(gè)軸互為120°d0366b06-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png?)轉(zhuǎn)化為兩相的定子直角坐標(biāo)系(d04ad370-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

這個(gè)過(guò)程有點(diǎn)類(lèi)似于力的矢量分解,把三相映射到兩相的坐標(biāo)軸之上,如下圖所示。

d06993f0-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

第三步:通過(guò)Park變換將兩相定子坐標(biāo)系變換到兩相轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系

因?yàn)槲覀冎饕刂频氖寝D(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),所以需要通過(guò)Park變換將兩相定子坐標(biāo)系變換到兩相轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(d06f5204-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png),本質(zhì)上就是矩陣的旋轉(zhuǎn)變換,在這里,我們用到的轉(zhuǎn)子的位置信息。

d07ee8a4-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

d08f6184-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

該位置信息便是由磁編碼器返回的絕對(duì)角度信息,(其實(shí)也可以用增量式編碼器,我感覺(jué)應(yīng)該只是在電機(jī)位置校準(zhǔn)的時(shí)候需要定義零點(diǎn),其他的應(yīng)該一樣,我暫時(shí)還沒(méi)有做過(guò),屬于猜想的,當(dāng)然有的還可以通過(guò)無(wú)位置的控制方式,通過(guò)三相采樣電流值計(jì)算轉(zhuǎn)子位置信息,還有需要注意的是得到的是角度信息,我們需要將其轉(zhuǎn)化為電角度信息, 電 角 度 = 角 度 ? 磁 極 對(duì) 數(shù) 電角度=角度*磁極對(duì)數(shù)電角度=角度?磁極對(duì)數(shù)),其中d09c3576-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png為勵(lì)磁電流分量d0a37520-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png為轉(zhuǎn)矩電流分量,可以建立兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別對(duì)兩個(gè)電流分量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)勵(lì)磁電流分量為0時(shí),磁通完全由永磁體提供。電機(jī)所有的電流全部用來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,只用控制d0ac15a4-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩,就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的靜態(tài)解耦。(其實(shí)這里很好理解,根據(jù)左手定則,F(xiàn)=BIL,這個(gè)公式中L是電機(jī)的固有參數(shù),B磁通由兩部分組成,一是由永磁體提供,二是由電流變化產(chǎn)生磁場(chǎng);所以如果我們要實(shí)現(xiàn)給定的力距,需要控制單一變量:電流,則需要讓B保持恒定,也就是使d0bbead8-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

第四步:根據(jù)PI調(diào)節(jié)器輸出電壓d0ca424a-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

這里需要注意有一個(gè)前提調(diào)節(jié),那就是你已經(jīng)基本調(diào)通了SVPWM波,電機(jī)可以正在旋轉(zhuǎn)了,F(xiàn)OC控制算法主要是電機(jī)的穩(wěn)定性控制,而不是電機(jī)本體的驅(qū)動(dòng)。d0ca424a-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png本身的參考值已定,d0e842fe-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png只是根據(jù)給定值與實(shí)際返回值得差值調(diào)節(jié)電機(jī)的穩(wěn)定性。

在調(diào)參的時(shí)候,人為給定d0f3d9e8-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png?( 參 考 電 流 值 ) ,通過(guò)與實(shí)時(shí)采樣電流比較,調(diào)節(jié)電流環(huán)PID,調(diào)節(jié)的目標(biāo)是啟動(dòng)響應(yīng)速度足夠快,平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)波動(dòng)足夠小,通過(guò)DAC輸出實(shí)時(shí)采樣電流來(lái)進(jìn)行調(diào)試;

第五步通過(guò)反Park變換將d10adaee-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png(兩相轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系)轉(zhuǎn)換為d117333e-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png兩相定子坐標(biāo)系

d124299a-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

d12b869a-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

第六步:得到d13705ce-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png之后,通過(guò)SVPWM算法計(jì)算d1448d34-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

SVPWM是磁場(chǎng)定向控制中常用的PWM波調(diào)制技術(shù)。其全稱(chēng)是空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation)是由三相功率逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)原件組成的特定開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波,能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波。理論基礎(chǔ)是平均值等效原理,即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通過(guò)對(duì)基本電壓矢量加以組合,使其平均值與給定電壓矢量相等。

假設(shè)三相電壓分別為d1523786-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png,且相互之間相位差為120°,假設(shè)U m 為相電壓的有效值,f為電源頻率,則有:

d15bae74-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量d166e640-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png就可以表示為:

d170c49e-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

d166e640-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量,幅值不變,為相電壓的峰值,且以角頻率w=2πf按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),其在三相坐標(biāo)軸上的投影就是對(duì)應(yīng)的三相正弦量。

其實(shí)SVPWM算法的原理我也搞得有點(diǎn)懵,不過(guò)應(yīng)用上倒是相對(duì)簡(jiǎn)單,可以把SVPWM算法想象成一個(gè)字典,根據(jù)d190328e-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png的大小關(guān)系確定輸出值。完全當(dāng)成一個(gè)表在查就好了。

FOC算法的優(yōu)點(diǎn)有:

1、當(dāng)負(fù)載變化時(shí),速度響應(yīng)快而且精確;

2、電機(jī)的瞬時(shí)效率高;

3、能實(shí)現(xiàn)位置控制;

FOC和PID調(diào)節(jié)的方式參考了

http://bbs.elecfans.com/jishu_546001_1_1.html

主要為先調(diào)試內(nèi)環(huán)之后調(diào)試外環(huán);

1、首先應(yīng)該調(diào)試ADC和編碼器,看是否可以得到正確的采樣電流和編碼器數(shù)值;

2、調(diào)試FOC算法中的SVPWM環(huán)節(jié),認(rèn)為的給定d19c5762-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png兩個(gè)值,看電機(jī)是否運(yùn)行,確保SVPWM沒(méi)問(wèn)題

3、 人為給定d1a60000-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png參考值,通過(guò)實(shí)時(shí)采樣電流,調(diào)節(jié)電流環(huán)的PID,調(diào)節(jié)的目標(biāo)是啟動(dòng)響應(yīng)速度足夠快,平衡運(yùn)行波動(dòng)足夠小,通過(guò)DAC輸出實(shí)時(shí)的采樣電流來(lái)進(jìn)行觀測(cè)調(diào)試(這里我直接在算法中讓d1adcc18-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png為0,所以只給定d1adcc18-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png的值)。

4、人為給定速度,調(diào)試速度環(huán)PID,輸出d1adcc18-c884-11ed-bfe3-dac502259ad0.png,調(diào)節(jié)的目標(biāo)是根據(jù)在足夠?qū)挼乃俣确秶鷥?nèi)平穩(wěn)啟動(dòng)和運(yùn)行??梢圆捎脤?zhuān)家PID算法;

5、位置環(huán)調(diào)節(jié),輸出為速度,調(diào)節(jié)目標(biāo),從一個(gè)位置快速的到達(dá)另一個(gè)位置來(lái)回跑,停止靜差足夠小,速度增減足夠快,即瞬時(shí)速度大且需要合理的根據(jù)位置路徑的長(zhǎng)度規(guī)劃一個(gè)速度曲線。

注意:如果要達(dá)到較高的速度精度,可能需要針對(duì)不同的速度值設(shè)置不同的速度PID參數(shù),且需要進(jìn)一步實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)觀測(cè)器、PLL及速度PID參數(shù)。

其他的一些知識(shí)總結(jié):

FOC與DTC控制區(qū)別(參考知乎一位大神的):

來(lái)源:https://www.zhihu.com/question/265079828/answer/291686684

FOC(電機(jī)矢量控制)要求嚴(yán)格的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向,對(duì)于BLDC電機(jī)而言轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向始終與轉(zhuǎn)子位置一致,因此其控制輸入需要準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置信號(hào)

DTC(直接轉(zhuǎn)矩控制)實(shí)際上與基于定子磁場(chǎng)定向,而定子磁場(chǎng)則是依據(jù)電壓積分估算獲得,在這個(gè)過(guò)程中跟轉(zhuǎn)子位置沒(méi)有關(guān)系,其控制過(guò)程中用到的量也都是靜止坐標(biāo)系下的量,因此DTC控制相比于FOC控制要簡(jiǎn)單很多,完全不需要求解三角函數(shù)、坐標(biāo)變換,如果需要用DTC進(jìn)行速度閉環(huán)則需要測(cè)量電機(jī)的速度,但是依然不需要準(zhǔn)確的絕對(duì)位置。

總結(jié)下來(lái),從硬件的角度DTC相比于FOC可以省略一個(gè)位置傳感器!當(dāng)然,現(xiàn)在有很多改進(jìn)的DTC算法需要用到電機(jī)的絕對(duì)位置。

但是在電機(jī)控制中,無(wú)論是DTC控制還是FOC控制,最后倒要基于PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。

市場(chǎng)上電調(diào)分類(lèi)

1、FOC電調(diào):矢量控制,效率高,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,電機(jī)噪音小,減速制動(dòng)快

2、普通電調(diào):六步換向控制,方波驅(qū)動(dòng)

STM32有BLDC開(kāi)發(fā)套件

BLDC電機(jī)控制算法:

PID控制,專(zhuān)家PID控制,模糊PID控制,神經(jīng)PID控制,基于遺傳算法整定的PID控制,魯棒控制,滑膜控制等;

電機(jī)方面的知識(shí):

1、根據(jù)《無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)》中所講述:目前國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的定義一般有兩種:一種定義認(rèn)為只有梯形波/方波無(wú)刷直流電機(jī)才可以稱(chēng)為無(wú)刷直流電機(jī),而正弦波無(wú)刷電機(jī)則被稱(chēng)為永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM);另一種定義認(rèn)為梯形波/方波無(wú)刷電機(jī)和正弦波無(wú)刷電機(jī)都是直流無(wú)刷電機(jī)。

2、直流電機(jī)的調(diào)速是用直流電壓來(lái)控制,電壓越高,轉(zhuǎn)的越快,不過(guò)單片機(jī)并不能輸出可調(diào)的直流電壓,于是只好變通采用PWM的方式來(lái)控制電機(jī)的輸入電壓。PWM占空比越高,等效電壓就越高,當(dāng)然單片機(jī)給出的PWM波形只是控制信號(hào),而且最高電壓只有5V,其能量并不足以驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī),所以必須要再接一個(gè)功率管來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī),功率管可以是MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)管),也可以是IGBT(絕緣柵雙極晶體管)。

3、一般而言,電機(jī)的繞組數(shù)量都和永磁極的數(shù)量是不一致的(比如用9繞組6極,而不是6繞組6極),這是為了防止定子的磁極與轉(zhuǎn)子的磁鋼相互吸引對(duì)其,產(chǎn)生類(lèi)似于步進(jìn)電機(jī)的效果,此種情況下轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)。

4、外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)比內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)要慢,但是力矩更大,例如四旋翼等可以不通過(guò)減速器直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

5、無(wú)刷直流電機(jī)KV值定義為:轉(zhuǎn)速/V,意思是輸入電壓每增加1V,BLDC電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。同系列同外形尺寸的無(wú)刷電機(jī),根據(jù)繞線匝數(shù)的多少,會(huì)表現(xiàn)出不同的KV特性。繞線匝數(shù)多的,KV低,最高輸出電流小,扭力大;繞線匝數(shù)少的,KV高,最高輸出電流大,扭力??;

自己的一些經(jīng)驗(yàn):

1、計(jì)算角度信息一定要用電角度,而不能直接計(jì)算

2、電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與電流和編碼器采樣頻率也有一定關(guān)系;

審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:BLDC電機(jī)控制算法——FOC簡(jiǎn)述

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    BLDC電機(jī)控制算法(瑞薩)(電源技術(shù)在線作業(yè)一)-BLDC電機(jī)
    發(fā)表于 09-23 12:06 ?204次下載
    <b class='flag-5'>BLDC</b><b class='flag-5'>電機(jī)</b><b class='flag-5'>控制</b><b class='flag-5'>算法</b>(瑞薩)

    無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)FOC控制算法簡(jiǎn)介

    無(wú)刷直流電機(jī)BLDC)、永磁同步電機(jī)電機(jī)(PMSM)電機(jī)以及FOC控制
    發(fā)表于 03-09 10:09 ?20次下載
    無(wú)刷直流<b class='flag-5'>電機(jī)</b>、永磁同步<b class='flag-5'>電機(jī)</b>及<b class='flag-5'>FOC</b><b class='flag-5'>控制</b><b class='flag-5'>算法</b>簡(jiǎn)介

    BLDC電機(jī)控制算法FOC簡(jiǎn)述

    最近做完了一個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)電機(jī)調(diào)速項(xiàng)目,查閱了各種大神所寫(xiě)的博客和論文,在這里我只做一下小小的總結(jié):(PS最近有遇到相關(guān)課題,發(fā)現(xiàn)以前的描述并不完整,因此又補(bǔ)充了一些。) FOC(Filed Oriented Contr
    的頭像 發(fā)表于 05-19 16:34 ?2036次閱讀
    <b class='flag-5'>BLDC</b><b class='flag-5'>電機(jī)</b><b class='flag-5'>控制</b><b class='flag-5'>算法</b>之<b class='flag-5'>FOC</b><b class='flag-5'>簡(jiǎn)述</b>

    如何控制BLDC電機(jī)的運(yùn)動(dòng) 基于Arm MCU的BLDC電機(jī)控制算法研究

    在逐漸興起的BLDC電機(jī)控制應(yīng)用中,磁場(chǎng)定向控制FOC)技術(shù)正變得越來(lái)越流行,這樣能夠確保電機(jī)
    發(fā)表于 08-04 12:51 ?749次閱讀
    如何<b class='flag-5'>控制</b><b class='flag-5'>BLDC</b><b class='flag-5'>電機(jī)</b>的運(yùn)動(dòng) 基于Arm MCU的<b class='flag-5'>BLDC</b><b class='flag-5'>電機(jī)</b><b class='flag-5'>控制</b><b class='flag-5'>算法</b>研究

    BLDC電機(jī)控制算法詳解

    算法。本文將詳細(xì)介紹BLDC電機(jī)控制算法,包括電速算法、電流環(huán)
    的頭像 發(fā)表于 06-14 10:49 ?1023次閱讀

    FOC電機(jī)BLDC電機(jī)的比較

    FOC電機(jī)BLDC電機(jī)在電動(dòng)車(chē)及其他應(yīng)用領(lǐng)域中都扮演著重要角色,但它們?cè)?b class='flag-5'>控制方式和性能特點(diǎn)上存在一些差異。以下是對(duì)
    的頭像 發(fā)表于 11-21 15:25 ?898次閱讀
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