3 FOC矢量控制实现步骤

通过前面小节的分析，我们已经知道了电机转矩产生的基本机理、知道了三相交流电产生圆形旋转磁场的原因、还知道了产生可变频率与幅值的三相交流电的基本方法。掌握了这些基础知识以后，后续要知道就是怎么来运用这些知识。

前面我们提到了磁链矢量，实际上我们还有电压矢量，电流矢量。既然是矢量，所以一定要记得，他们都是既有大小又有方向的量。这对于我们理解FOC非常重要。我们通常用的FOC矢量控制既然称之为转子磁场定向控制，那么有两个问题需要搞明白:

1)如何理解转子磁场定向？

2)如何来实现矢量控制？

这里，我们先来看一下整个FOC的实现框图，以便对FOC的实现有一个总体的把握:

FOC实现框图

这幅框图摘自TI:Sensored Field Oriented Control of 3-Phase Permanent Magnet Synchronous Motors。

这幅图是以电流闭环控制为例的，囊括了FOC矢量控制实现的所有基本步骤。它的作用就是让电机始终产生一个恒定的磁场，在夹角一定的情况下，与永磁同步电机的永磁体磁场形成恒定的力矩，最后表现在控制上就是恒定的电流，因为力矩与电流是成正比的。

可以看到控制器的输入是最左边的 I_sqref ​和 I_sdref ​，两个变量经过PI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Clarke变换；最后通过前面提到的SVPWM模块作用产生可变频率与幅值的马鞍波，然后经过我们DSP与三相全桥逆变电路的调制，最终生成等效的PWM波，进而控制永磁同步电机工作；而PI控制器的反馈量，是对电机输出电流的采样值。通过此图，我们可以知道，要想实现FOC矢量控制，那么电流采样、坐标变换、PID控制、SVPWM、电机转子位置采样等等这些功能的实现细节都是需要我们掌握的，只有掌握了这些细节才能从根本上理解FOC矢量控制。

通过上面的分析，把FOC矢量控制的整个实现过程概括如下：

1)对电机三相电流进行采样得到 I_a,I_b,I_c ​

2)将 I_a,I_b,I_c ​经过Clarke变换得到​ I_salpha,I_sbeta

3)将 I_salpha,I_sbeta经过Park变换得到​ I_sq,I_sd

4)计算​ I_sq,I_sd 和其设定值 I_sqref,I_sdref ​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​ V_sqref,V_sdref

6)将​ V_sqref,V_sdref 进行反Park变换得到​ V_aalpha,V_sbeta

7)用 V_salpha,V_sbeta合成电压空间矢量，输入SVPWM模块进行调制，输出对应频率与幅值的马鞍波

8)在DSP的作用下，输出该时刻三个半桥的状态编码值

9)按照前面输出的编码值控制三相全桥逆变电路的MOS管或者IGBT开关，驱动电机运转

10)循环上述步骤

以前就是实现FOC的基本步骤，后续将根据此步骤来分别介绍每一步的具体实现方法以及对应的物理意义。这里只需要对这些步骤有一个总体的认识就可以了，后续将进行详细讲解。