《APM32芯得》系列內(nèi)容為用戶使用APM32系列產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，均轉(zhuǎn)載自21ic論壇極海半導(dǎo)體專區(qū)，全文未作任何修改，未經(jīng)原文作者授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。

1. 概述

定義：FOC是一種通過(guò)解耦電機(jī)定子電流的磁場(chǎng)分量（d軸）和轉(zhuǎn)矩分量（q軸），實(shí)現(xiàn)高性能電機(jī)控制的技術(shù)。

核心目標(biāo)：模擬直流電機(jī)的控制特性，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的高效、低噪、寬調(diào)速控制。

別名：矢量控制（Vector Control）。

2. 無(wú)感FOC核心原理

磁場(chǎng)定向：將三相電流（ABC坐標(biāo)系）通過(guò)坐標(biāo)變換分解為：

d軸電流（Id）：產(chǎn)生磁場(chǎng)的分量（勵(lì)磁分量）。

q軸電流（Iq）：產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量（轉(zhuǎn)矩分量）。

坐標(biāo)變換：

Clark變換：三相靜止坐標(biāo)系（ABC）→ 兩相靜止坐標(biāo)系（αβ）。

Park變換：兩相靜止坐標(biāo)系（αβ）→ 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq，與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步）。

逆變換：將控制后的dq軸信號(hào)還原為三相電壓信號(hào)（逆變器驅(qū)動(dòng)）。

3. 關(guān)鍵步驟

1. 電流采樣：測(cè)量電機(jī)三相電流。一般有單電阻，雙電阻和三電阻三種電流檢測(cè)方式進(jìn)行測(cè)量。APM32M3514_MOTOR EVAL使用R29、R32雙電阻進(jìn)行U、V兩相電流采樣，通過(guò)計(jì)算得到W相電流。

2. 坐標(biāo)變換（Clark + Park）：

依賴轉(zhuǎn)子位置信息電角度（編碼器、霍爾傳感器或無(wú)傳感器估算）。APM32M3514使用SMO+PLL方式獲取轉(zhuǎn)子位置。

Clark變換：通過(guò)Clarke變換將測(cè)得的電機(jī)相電流Ia，Ib，Ic轉(zhuǎn)換為αβ參考坐標(biāo)系中的兩個(gè)正交分量Iα和Iβ。

Park 變換：使用估算的轉(zhuǎn)子磁通角通過(guò)Park 變換將αβ轉(zhuǎn)換為dq參考坐標(biāo)系中的兩個(gè)正交分量。

3. PI控制：

獨(dú)立控制Id（通常設(shè)為0以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩）和Iq（響應(yīng)轉(zhuǎn)矩需求）。由上圖可以明顯得到電流環(huán)目標(biāo)Iqref是由速度環(huán)PI控制的到的結(jié)果，以滑膜觀測(cè)得到的速度與設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行誤差運(yùn)算得到。Id一般在不考慮MTPA和弱磁算法時(shí)，一般輸出給定為0。

4. 逆Park變換 + SVPWM：

將dq參考坐標(biāo)系中的校正電壓轉(zhuǎn)換回abc參考坐標(biāo)系中的電壓。通過(guò)一些功率切換技術(shù)將這些電壓施加到電機(jī)端子，生成逆變器開(kāi)關(guān)信號(hào)。

空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）是驅(qū)動(dòng)兩級(jí)電壓源逆變器的傳統(tǒng)技術(shù)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

? 改善相電壓的諧波內(nèi)容

? 將直流總線利用范圍提高約15%

逆變器每相輸出可以是兩種狀態(tài)中的任一種：連接到負(fù)電源軌時(shí)為0，連接到正電源軌時(shí)為1。因此，三相逆變器可以有23 = 8 種可能的狀態(tài)，如下圖所示：

5. 轉(zhuǎn)子位置反饋：

有傳感器：編碼器、旋變。

無(wú)傳感器：滑模觀測(cè)器（SMO）、模型參考自適應(yīng)（MRAS）、高頻注入（HFI）。

滑模觀測(cè)器（SMO）是一種非線性觀測(cè)器，用于根據(jù)測(cè)得的輸入和輸出估算可觀測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。在此應(yīng)用中，SMO 用于估算PMSM 的反電動(dòng)勢(shì)。與傳統(tǒng)線性反電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子位置和速度估算相比，使用SMO 的主要優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)存在未知信號(hào)和不確定性時(shí)，SMO 的穩(wěn)健性極高

想具體了解滑膜觀測(cè)器如何實(shí)現(xiàn)，可參考這份博客：https://zhuanlan.zhihu.com/p/416224632

4. 優(yōu)勢(shì)

高性能：寬調(diào)速范圍、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)（如零速滿轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)）。

高效率：最小化銅損和鐵損。

低振動(dòng)/噪音：平滑轉(zhuǎn)矩輸出。

兼容性：適用于永磁同步電機(jī)（PMSM）、無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）等。

5. 挑戰(zhàn)與解決方案

依賴轉(zhuǎn)子位置：

傳感器成本高 → 無(wú)傳感器FOC。

低速精度差 → 高頻注入法。

參數(shù)敏感性：電機(jī)參數(shù)（電阻、電感）變化影響性能 → 在線參數(shù)辨識(shí)。

計(jì)算復(fù)雜度：需實(shí)時(shí)處理坐標(biāo)變換和PID → 高性能MCU（DSP）。

6. 對(duì)比其他控制方法

7. 總結(jié)

無(wú)傳感器FOC：降低成本，提高可靠性。

AI優(yōu)化：自適應(yīng)PID參數(shù)整定。

集成化：SoC 簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)。

原文地址：https://bbs.21ic.com/icview-3461244-1-1.html?_dsign=ac52e11b

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