FOC介绍

1、 什么是FOC？
　　FOC（Field-Oriented Control），直译是磁场定向控制，也被称作磁场矢量控制系统（VC，Vector Control），是目前无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）高效控制的最优方法之一。

　　FOC旨在通过精确地控制磁场大小与方向，使得电机的运动转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。

　　简单来说就是，FOC是一种对无刷电机的驱动控制方法，它可以让我们对无刷电机进行“像素级”控制，实现很多传统电机控制方法所无法达到的效果。

　　特点：通过精确地控制磁场大小与方向，使得电机的运动转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。

　　FOC 的核心思想是将三相交流电机的控制转换为对应的直流电机控制。具体来说，FOC 通过以下步骤实现:
　　　　测量电机的转子位置和相电流。
　　　　将三相电流转换为两相固定坐标系（d-q坐标系）的电流分量。
　　　　根据转子位置信息，将d-q坐标系的电流分量转换为与转子磁场垂直的分量（转矩分量）和与转子磁场平行的分量（磁通分量）。
　　　　独立控制转矩分量和磁通分量，从而实现电机的精准控制。

2、FOC控制流程框图

 　　我们先来看一下FOC控制的整个流程图景：

　　这幅图是以电流闭环控制为例的，也就是让电机始终产生一个恒定的力矩（也就是恒定的电流，因为力矩和电流成正比）。
　　可以看到控制器的输入是最左边的 Id_ref​和Iq_ref ，两个变量经过PID控制器进行反馈调节，其中还涉及到几个变换模块，有Park变换和Clark变换；最后通过前面提到的SVPWM模块作用到三相逆变器上进而控制电机；而PID控制器的反馈量，是对电机输出电流的采样值。

　　FOC控制的整个过程是这样的：
　　　　（1）对电机三相电流进行采样得到Ia,Ib,Ic
　　　　（2）将Ia,Ib,Ic经过Clark变换得到Iα,Iβ
　　　　（3）将Iα,Iβ经过Park变换得到Iq,Id
　　　　（4）计算Iq,Id和其设定值Iq_ref,Id_ref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Uq,Ud
　　　　（6）将Uq, Ud 进行反Park变换得到Uα,Uβ
　　　　（7）用Uα,Uβ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

3、FOC最小系统

　　FOC矢量控制系统包括实时电流的采集、clarke 变换、park 变换、SVPWM 、实时角度反馈和计算以及电流环、速度环和位置环等。
　　满足最小条件的矢量控制运行，可以不加速度环和位置环，只实现电流环，当电流环调试成功之后，再加速度环，以及后期的位置环。
　　最小的FOC系统的功能模块：
　　　　ADC电流采样
　　　　坐标变换与SVPWM
　　　　位置估计——霍尔、编码器或者状态观测器
　　　　电流环PI控制

　　（1）ADC 采样
　　ADC 模块用于电流的采样，因为要根据合成矢量所在扇区，灵活的配置采样通道与采样点，所以ADC 通常配置为注入通道模式，它可以打断规则通道的采样，优先采集注入通道。
　　以常用芯片意法半导体的 STM32 为例，ADC 的触发模式常常设置为 PWM 定时器的 CH4 触发，再根据桥臂的打开状态，配合电流的上升和稳定时间，准确的计算采样点的时刻，进行有效的采样

　　（2）坐标变换——基变换
　　坐标变换就是坐标系之间的转换，即基变换。
　　Clarke变换：将固定坐标系abc转换为固定直角坐标 αβ。

 　　Park变换：将固定直角坐标αβ绕原点逆时针旋转θ得到运动直角坐标系dq

　　θ表示转子旋转的机械角度，Iq和Id是虚拟的电流量，这是一个解耦过程，电机转矩与Iq成正比，Id会削弱磁场，一般设置Id为常数0；若控制过程中Id为变量，这种控制方法为弱磁控制。

　　转换可以采用全浮点实现，也可以采用标幺化（归一化）处理。

　　（3）SVPWM
　　空间矢量脉冲，Vα和Vβ经过Clarke逆变换获得三个固定的Va、Vb、Vc，旋转60°后，可以很方便得到6个基矢量，这6个基矢量用来描述任意一个空间矢量电压，显然这需要一定策略，该策略就是扇区判断，这样仅仅需要最近的2个基矢量来表达。

　　配合占空比，即零矢量，通过三个PWM信号可以调制出（功率范围内）任意长度的矢量
　　要完成一个周期的旋转，使得MOS开关次数最少以及减少谐波噪声，就要设计好切换顺序（五步法和七步法）
　　SVPWM 的实现一般涉及到硬件 PWM 模块的配置，矢量合成扇区的判以及作用时间的计算等，常采用 STM32 的两个高级定时器 TIM1 和 TIM8 实现。

　　（4）电流环PI控制
　　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。
　　内环不需要用到微分参数，PI控制器。