基于 FOC矢量控制的电机控制器

张博文 1陶钰禧 2马德彬 1

1 华北理工大学电气工程学院 河北 唐山 063210 2 华北理工大学冶金与能源学院 河北 唐山 063210

摘要：在现代社会，可以说，一切能动的机器都有电机的应用，电机发展近两百年的时间里产生了多种多样的电机及技术。一个合格的机器设备不光要选取合适的电机，也要采用适合的电机控制技术。本设计应用FOC矢量控制算法，设计一种对于伺服步进电机微量级电机控制器，广泛应用于现代精密制造业。

关键词： 伺服电机控制、FOC矢量控制

1引言

对于各类新型高新技术，电机控制都是必不可少的，无刷伺服电机因为其体积小，扭矩大，精度高等优势，普遍应用于现代机器人领域及现代工业领域。

电机控制是指对转速、位置等过程参数的被告变量的自动控制。电机控制，是指通过计算机或微处理器采集控制信号并发出控制信号，根据控制对象的最佳价值快速自动控制和自动调整，应用于如数控机床和生产线控制领域。

电机控制根据不同电机的类型及电机的使用场合有不同的要求及目的。对于电动机，通过电机控制，达到电机快速启动、快速响应、高效率、高转矩输出及高过载能力的目的。

2 FOC控制算法

FOC（Field Oriented Control）即场定向控制，也称磁场方向控制和矢量控制。通常指通过将三相交替电流的控制转换为产生扭矩的q轴电流的控制，通过坐标转换产生磁场的d轴电流实现扭矩和激发的独立控制。磁场以空间矢量的形式表示，当确定的磁场方向和转子磁场的方向垂直时，可以产生最大的扭矩，因此始终确保确定磁场的方向和转子磁场的方向是垂直的，以确保电机能够获得良好的性能。

FOC 算法的理念是：

･首先测量转子的位置（角位），以便您了解转子磁场的方向，即蓝色矢量

･所需的注射器磁场矢量，桃载体垂直于蓝色向量，可根据转子位置计算

･最后，通过控制三相电流，可以合成所需的合成磁场矢量

图1.1 FOC算法示意图

2控制方法

2.1电路设计方案

矢量控制基于对指控对象的精确数学模型，使交流电机控制由外部宏观稳定状态控制，深入到电机内部电磁过程的瞬时控制中。矢量控制通过坐标转换将交流电机内部的复杂耦合非线性变量转换为交流电机内的静态直流变量（电流、磁链、电压等），实现近似脱钩控制，并从中发现约束，为某一目标获得最佳控制策略，ID-0控制是矢量控制的特定控制策略，实现转子坐标系中永久磁同步电机间质电流脱钩，由于ID、iq双电流闭环的存在。电机iq电流动态跟随系统扭矩给予（te-ktiq，kt是电机扭矩系数），以实现电机电磁扭矩控制。

速度控制和扭矩控制是 FOC 最常用的控制模式。位置控制模式不太常见。大多数牵引应用使用扭矩控制模式，其中电机控制系统遵循参考扭矩值。在速度控制模式下，电机控制器遵循参考速度值，生成扭矩控制的扭矩参考，形成内部子系统。在位置控制模式下，速度控制器形成内部子系统。

FOC算法的实现需要电流和转子位置的实时反馈。使用传感器测量电流和位置。您也可以使用无传感器技术，该技术使用估计的反馈值代替实际的基于传感器的测量。

2.2 正弦波控制

直流无刷电机的正弦波控制即通过对电机绕组施加一定的电压，使电机绕组中产生正弦电流，通过控制正弦电流的幅值及相位达到控制电机转矩的目的。与传统的方波控制相比，电机相电流为正弦，且连续变化，无换相电流突变，因此电机运行噪声低。根据控制的复杂程度，直流无刷电机的正弦波控制可分为：简易正弦波控制与复杂正弦波控制。

　　（1）简易正弦波控制：

　　对电机绕组施加一定的电压，使电机相电压为正弦波，由于电机绕组为感性负载，因此电机相电流也为正弦波。通过控制电机相电压的幅值以及相位来控制电流的相位以及幅值，为电压环控制，实现较为简单。

　　（2）复杂正弦波控制：

　　与简易正弦波控制不同，复杂的正弦控制目标为电机相电流，建立电流环，通过直接控制相电流的相位与幅值达到控制电机的目的。由于电机相电流为正弦信号，因此需要进行电流的解耦操作，较为复杂，常见的为磁场定向控制（FOC）及直接转矩控制（DTC）等。

2.3 SPWM控制

脉冲宽度调制SPWM的实现有多种方法。SPWM控制方法从采用模拟电路到全数字化方案，完成优化的实时在线的SPWM信号输出，对于不同的波形，其调制处理芯片的算法、频率输出范围、波形产生机理等方面有很大的不同。

SPWM法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。SPWM就是以采样控制理论中的冲量等效原理为理论依据的（冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同）。用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

2.4系统模型

通过原理经过设计，设计了基于正弦波控制、SPWM的控制系统，实现了速度、扭矩、位置的三闭环控制系统。

图2.1系统模型图

4 结语

通过设计完成了一个基于FOC矢量控制算法的无数伺服电机驱动系统模型，通过该模型可以应用于无刷伺服电机的精确控制，实现位置扭矩速度的闭环，可使用于大型数控机床、3D打印机及一些工业设备领域。

然而电机控制的进程还有很长的路要走，本系统也还存在很多问题，我们需要再通过进一步的努力，使电机可以更好地应用于各行各业。

参考文献

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