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FOC

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FOC 速成路线

系统总览：FOC控制概述 · FOC系统架构

第 1 层：三闭环外环层（Cascade Control Loops）

这一层运行频率通常在 1 kHz ~ 5 kHz（位置环更慢，通常几百 Hz）。

• 1.1 位置环（Position Loop）
  • 输入： 目标机械角度 ${\theta }_m^{\ast }$、当前实际机械角度 ${\theta }_m$（来自编码器）
  • 处理： 角度误差计算 $\to$ PID 调节
  • 输出： 目标转速 ${\omega }^{\ast }$（包含转速饱和限制，如最大机械角速度限幅）
• 1.2 速度环（Velocity Loop）
  • 输入： 目标转速 ${\omega }^{\ast }$、当前实际转速 $\omega$（来自角度微分或编码器 PLL 滤波估算）
  • 处理： 速度误差计算 $\to$ PI 调节
  • 输出： 目标交轴电流参考值 $I_q^{\ast }$（包含最大相电流限幅）
• 1.3 弱磁控制（磁通 / d 轴参考规划）
  • 输入： 电机转速 $\omega$、母线电压利用率
  • 处理： 恒转矩区置 0；超速弱磁区时计算负向退磁电流
  • 输出： 目标直轴电流参考值 $I_d^{\ast }$（常规为 $0$ A，弱磁时为负值）
  • 相关策略： MTPA磁场定向控制、参数辨识、在线自整定与自适应控制

第 2 层：反馈信号解耦层（Sensor Feedback & Transforms）

将底层的相电流与物理角度转化为直流物理量，供内环控制使用。

• 2.1 位置与速度传感器（角度处理与对齐；另见启动策略）
  • 输入： 原始编码器读数 ${\theta }_{raw}$、电机极对数 $P$、零点电偏置角 ${\theta }_{offset}$
  • 处理： 坐标校正与极对数倍增：${\theta }_e=P\cdot {\theta }_m+{\theta }_{offset}$
  • 输出： 实时电角度 ${\theta }_e$、机械角度 ${\theta }_m$
• 2.2 Clarke变换（三相静止 $\to$ 两相正交静止）
  • 输入： 实际三相电流采样值 $I_a,I_b,I_c$（通常只需采集两相，$I_c=-I_a-I_b$）
  • 处理： $120^{\circ }$ 三相轴系投影到 $90^{\circ }$ 正交 $\alpha \beta$ 轴系
  • 输出： 静止坐标系电流分量 $I_{\alpha },I_{\beta }$
• 2.3 Park变换（两相静止 $\to$ 两相旋转）
  • 输入： 静止坐标系电流 $I_{\alpha },I_{\beta }$、电角度 ${\theta }_e$
  • 处理： 随转子旋转的坐标系投影变换
  • 输出： 直流旋转电流反馈值 $I_d$（直轴/励磁电流）、$I_q$（交轴/转矩电流）
• 2.4 PLL锁相环（位置与速度状态估计）
  • 相关模块： 观测器、无位置传感器技术、无感FOC系统实现
• 2.5 坐标变换代码实现
  • 支撑模块： 空间矢量与数学基础

第 3 层：电流环（Current Loop PI & Inverse Transform）

这一层是 FOC 的执行核心，运行频率最高（通常为 10 kHz ~ 40 kHz，与 PWM 同步）。

• 3.1 电流环（PI 调节器）
  • 输入： 目标设定值 $(I_d^{\ast },I_q^{\ast })$、实际反馈值 $(I_d,I_q)$
  • 处理： 误差放大与积分调节（通常加入反电动势解耦补偿 $L_q\omega I_q,L_d\omega I_d$）
  • 输出： 旋转坐标系目标控制电压 $V_d^{\ast },V_q^{\ast }$（包含最大电压矢量圆限幅）
• 3.2 逆Park变换（Inverse Park Transform）
  • 输入： 目标控制电压 $V_d^{\ast },V_q^{\ast }$、电角度 ${\theta }_e$
  • 处理： 旋转坐标系向静止正交坐标系投影映射
  • 输出： 静止坐标系合成电压矢量 $V_{\alpha }^{\ast },V_{\beta }^{\ast }$

第 4 层：调制映射层（SVPWM Modulation）

• SVPWM算法
  • 输入： 期望电压分量 $V_{\alpha }^{\ast },V_{\beta }^{\ast }$、当前直流母线电压 $V_{bus}$
  • 处理：
    1. 计算电压空间矢量相位，判断其所在的 60° 扇区（Sector 1 ~ 6）。
    2. 计算相邻非零基础矢量 $T_1,T_2$ 以及零矢量 $T_0,T_7$ 的作用时间。
  • 输出： 三相高低电平有效导通时间 $T_a,T_b,T_c$

第 5 层：物理硬件层（Power Electronics & Transducers）

• 5.1 逆变执行
  • 输入： 6 路逻辑电平 PWM、母线电源 $V_{bus}$
  • 处理： 栅极驱动器（Gate Driver）推挽升压 $\to$ 6 颗 MOSFET/IGBT 周期性高速通断控制电机（电机学基础）
  • 输出： 三相斩波交流线电压 $U_{uv},U_{vw},U_{wu}$ $\to$ 绕组产生相电流 $I_a,I_b,I_c$ $\to$ 驱动电机输出转矩 $T_e$
• 5.2 电流采样与处理（底层采样）
  • 输入： 实际绕组物理相电流、转子物理旋转位置
  • 处理：
    • 采样电阻/霍尔传感器分流 $\to$ 运放放大 $\to$ MCU ADC 采样并在中断触发时转换读取。
    • 位置与速度传感器 $\to$ 计数芯片解码角度。
  • 输出： 原始离散化数字量（ADC Counts、Encoder Raw Steps），直接闭环输送至第 2 层。

横向：系统调试与验证

• FOC系统调试：覆盖采样、坐标变换、各级控制环、SVPWM 和功率输出的联调。