基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器设计
关于无刷电机FOC驱动算法的研究_v6-毕业论文
---文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印---摘要近些年来，高新技术产业得到了迅速发展，很多技术产品也随着成产，但是，人们对产品性能的要求也愈加高。
无刷直流电机是很多技术产品的核心部分，遍及于交通工具和工业设备等各个高新技术领域，相对于传统的控制方法，FOC具有效率高，噪声小，响应快等特点，因此近年来FOC算法发展非常迅速。
本文主要提出一种控制无刷直流电机的算法，通过对无刷直流电机控制系统的框架设计，尝试应用STM32达到FOC驱动控制板的基础上，推导FOC控制算法中的主要公式。
通过FOC算法控制无刷直流电机，既避免传统无刷直流电机的控制算法的不足，又提高电机系统运作效率；此外，FOC再结合无位置传感器算法，使得控制效能提高，减少了工艺成本，增大应用范围。
关键词：FOC；无刷电机；STM32；无位置传感器；电机参数AbstractIn recent years, the high-tech industry has developed rapidly, and a lot of technical products have been produced along with it. Brushless dc motor is the core part of many technical products, covering various high-tech fields such as transportation vehicles and industrial equipment. Compared with traditional control methods, FOC has the characteristics of high efficiency, low noise and fast response. Therefore, FOC algorithm has developed rapidly in recent years. This paper mainly proposes an algorithm to control the brushless dc motor. Through the frame design of the brushless dc motor control system, it tries to use STM32 to achieve the FOC drive control panel, and then deduces the main formula of the FOC control algorithm. The brushless dc motor is controlled by FOC algorithm, which not only avoids the shortage of the traditional brushless dc motor control algorithm, but also improves the operation efficiency of the motor system. In addition, FOC combined with sensorless algorithm improves control efficiency, reduces process cost and increases application scope. Keywords:FOC；BLDCM； STM32；Sensorless；Motor Parameter目录1.绪论 (1)1.1研究背景 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.3选题背景和研究内容 (2)1.4论文结构 (2)2.无刷直流电机控制系统的基本结构 (4)2.1 无刷直流电机控制系统的基本结构 (4)2.1.1机械结构主体 (4)2.1.2无刷直流电机驱动部分 (5)2.2 无刷直流电机的控制原理 (5)2.3 无刷直流电机电流采样 (6)2.4 无刷直流电机起动 (9)2.4.1三段式起动法 (9)2.5 自动测量电机参数 (9)2.5.1绕组电阻 (10)2.5.2线圈电感 (10)2.5.3电机惯性 (10)2.5.4电机的摩擦力矩和阻尼系数 (11)2.5.5测量电机极对数 (11)3.无感磁场定向控制（FOC）算法基本原理 (12)3.1 坐标变换 (12)3.1.1CLARK变换 (12)3.1.2PARK变换 (13)3.1.3PARK反变换 (13)3.2 SVPWM (13)3.2.1SVPWM控制原理 (14)3.2.2SVPWM算法分析 (16)3.3无位置传感器算法 (17)3.3.1反电动势检测法 (17)3.3.2龙伯格状态观测器 (18)3.3.3高频注入法 (19)4.无刷直流电机控制系统的硬件平台 (20)4.1整体硬件平台 (20)4.1.1 主控板 (20)4.1.2 驱动板 (22)4.1.3 无刷直流电机 (25)插图目录图1.1系统结构及流程 (2)图2.1无刷直流电机控制系统的基本结构 (4)图2.2绕组的上下桥结构 (6)图2.3三相Duty Cycle变化情况 (7)图2.4情形一各相变化情况 (7)图2.5情形二各相变化情况 (8)图2.6情形三各相变化情况 (8)图2.7情形四各相变化情况 (9)图3.1第一扇区例子 (15)图4.1整体硬件平台结构图 (20)图4.2主控板电路 (21)图4.3外部选择电源电路 (21)图4.4LD1117稳压器电路 (22)图4.5L39050稳压器电路 (22)图4.6功率驱动电路 (23)图4.7电流检测电路 (24)图4.8电流保护电路 (25)图4.9反电动势检测电路 (25)图4.10三相无刷直流电机 (25)图5.1keil软件工程 (26)图5.2FOC运行流程图 (27)图6.1自动测量电机参数 (37)图6.2设定速度 (38)图6.3正反转速度设定 (38)图6.4设定速度为零 (39)图6.5测量速度为零 (39)表目录表3.1各相状态及对应幅值模 (14)表3.2 根据扇区切换开关顺序 (16)表3.3 扇区分布情况 (16)1.绪论1.1研究背景由于无刷直流电机拥有控制精度高和寿命长等优点，并且还保留有刷直流电机的一些机械优势，因此已经普及在各种各样的工业领域，如汽车行业、自动化控制和航空航天等[1]。
直流无刷电机的foc控制原理
直流无刷电机的foc控制原理直流无刷电机（BLDC）的矢量控制通常采用场向量控制（Field Oriented Control，FOC）技术。
FOC 控制可以通过控制电机的磁场方向和大小，以实现更高的效率和性能。
以下是直流无刷电机 FOC 控制的基本原理：
坐标变换：FOC 控制首先将电机的三相电流转换到两个坐标系下：静止坐标系（通常是 abc 坐标系）和转子坐标系（通常是 dq 坐标系）。
dq 坐标系转换：在 dq 坐标系中，d 轴（直流轴）与电机的磁通量方向保持一致，q 轴（正交轴）与磁场垂直。
这种变换可以简化电机的控制，因为电机的磁通量和转矩只与 d 轴电流有关，而与q 轴电流无关。
磁通量和转矩控制：在 dq 坐标系下，可以独立控制 d 轴电流和 q 轴电流。
通过控制 d 轴电流来控制电机的磁通量，通过控制q 轴电流来控制电机的转矩。
这样就可以实现对电机磁通量和转矩的精确控制。
转子位置估算：FOC 控制需要知道转子的位置信息才能进行有效的控制。
通常，这需要使用传感器（如编码器）来获取准确的转子位置信息，或者采用无传感器的方法来估算转子位置（如反电动势法或者观测器法）。
闭环控制：通常情况下，FOC 控制是以闭环方式实现的，通过反馈转子位置信息和电流信息来调节控制算法，以确保电机可以跟
踪给定的磁通量和转矩指令。
总的来说，FOC 控制通过将电机的控制问题简化到一个二维空间中（d 轴和 q 轴），从而实现对电机磁通量和转矩的精确控制，从而提高了电机的效率和性能。
foc 直流无刷控制例程
foc 直流无刷控制例程英文回答：## Field-Oriented Control (FOC) for Brushless DC Motor.Introduction.Field-Oriented Control (FOC) is a high-performance control method for brushless DC (BLDC) motors. It is based on the principle of representing the motor's magnetic field as two orthogonal components: the d-axis and q-axis. By controlling these components independently, FOC can achieve precise control of the motor's speed and torque.Benefits of FOC.Compared to traditional control methods, FOC offers several advantages:Improved efficiency.Higher torque and speed capability.Reduced torque ripple.Enhanced dynamic response.Implementation.The implementation of FOC involves the following steps:1. Current sensing: Measure the motor's phase currents using Hall sensors or other methods.2. Clark and Park transformations: Convert the phase currents into the d-q reference frame.3. PI controllers: Implement PI controllers to regulate the dand q-axis currents.4. Inverse Park transformation: Convert the controlled d-q currents back to the phase currents.5. PWM generation: Generate the PWM signals to drive the motor's power transistors.Example Code.Here is an example FOC code for a BLDC motor in C++:cpp.#include <Arduino.h>。
基于foc矢量控制的无刷直流电机控制器设计
基于foc矢量控制的无刷直流电机控制器设计文章标题：基于FOC矢量控制的无刷直流电机控制器设计探索序无刷直流电机（BLDC）在各种应用中都得到了广泛的应用，由于其高效率、低噪音和低维护要求，成为了许多行业的首选。
在BLDC电机的控制中，FOC矢量控制技术已经成为了一种重要的控制方法。
本篇文章将全面探讨基于FOC矢量控制的无刷直流电机控制器设计的相关内容，旨在帮助读者更深入地理解这一技术并应用于实际项目中。
一、FOC矢量控制技术的概述在介绍基于FOC矢量控制的无刷直流电机控制器设计之前，首先我们需要了解FOC矢量控制技术的概念和原理。
FOC矢量控制是一种通过控制电机的电流和转子磁通实现对电机的高效、精准控制的技术。
在FOC矢量控制中，通过对电机的三相电流进行精准控制，可以实现电机的高效运行，降低能耗和提高性能。
1. FOC矢量控制的基本原理在FOC矢量控制中，电机的三相电流被分解为两个独立的分量：一个是沿着磁场转子磁通方向的磁通分量，另一个是与磁场垂直的转子电流分量。
通过对这两个分量进行独立控制，可以实现对电机的高精度控制，达到最佳的运行效果。
2. FOC矢量控制的优势相较于传统的直接转矩控制（DTC）技术，FOC矢量控制具有更高的控制精度和动态响应，能够更好地适应各种工况下的控制需求，对电机能效比提升和转矩波动降低等方面有着显著的优势。
二、基于FOC矢量控制的无刷直流电机控制器设计基于FOC矢量控制的无刷直流电机控制器设计是一个复杂而又具有挑战性的工程项目。
在设计过程中，需要考虑到电机的参数识别、闭环控制算法、硬件设计等多个方面的内容。
1. 电机参数识别在进行FOC矢量控制器设计之前，首先需要对电机进行参数识别。
这包括电机的定子电感、磁通链路和电阻等参数的准确测量和识别，这些参数的准确性将直接影响到FOC矢量控制的效果。
2. 闭环控制算法针对FOC矢量控制的无刷直流电机控制器设计，闭环控制算法是非常关键的一部分。
基于FOC算法的永磁同步电机控制器设计
基于FOC算法的永磁同步电机控制器设计永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine，PMSM）是一种高效、高功率密度的电机，被广泛应用于电力驱动和电动汽车等领域。
对于永磁同步电机的控制，Field Oriented Control（FOC）算法是一种常用的控制策略，可以实现快速、精确的电流和转矩控制。
首先，需要进行电机的模型建立和参数识别。
电机模型包括电气模型和机械模型，其中电气模型描述电机的电流和电压动态特性，机械模型描述电机的转速和转矩特性。
通过实验或仿真方法，可以获取电机的参数，如电阻、电感、永磁体磁链等。
其次，需要进行电机的磁链定向。
FOC算法中的关键步骤是将电机的磁链定向为直流分量和正交分量。
这可以通过电流反馈和转速信息来实现。
通过测量电机的三相电流和转子位置编码器等信号，可以计算得到电机的直流分量和正交分量。
然后，需要进行电机的电流和转矩控制。
在FOC算法中，通过控制电机的直流分量和正交分量，可以实现对电机的电流和转矩的精确控制。
其中，电机的直流分量控制可以通过电流环和比例积分控制实现，而电机的正交分量控制可以通过电流环、速度环和转矩环等控制实现。
最后，需要进行控制器的实现和优化。
控制器可以通过数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）或嵌入式控制器等进行实现。
控制器可以采用PI控制、模型预测控制等算法，在保证系统稳定性和响应速度的前提下，优化电机的性能指标，如动态响应性能、能耗、抗扰性等。
总结来说，基于FOC算法的永磁同步电机控制器设计是一个涉及多个方面的综合问题。
通过对电机的模型建立和参数识别，磁链定向、电流和转矩控制，以及控制器的实现和优化等步骤，可以实现对永磁同步电机的精确控制。
这种控制方法具有高效、高性能的特点，在电力驱动和电动汽车等领域有着广泛的应用前景。
foc无刷电机驱动电路
foc无刷电机驱动电路标题：FOC无刷电机驱动电路引言：随着电动车、无人机等电动设备的快速发展，无刷电机作为一种高效、低噪音的电动机，被广泛应用于各种领域。
而FOC（Field-Oriented Control）无刷电机驱动电路作为一种高性能的驱动方案，具备精准控制和高效能的特点。
本文将详细介绍FOC无刷电机驱动电路的原理及应用。
一、FOC无刷电机驱动电路的原理FOC无刷电机驱动电路的核心思想是将三相无刷电机的控制问题转化为一个两相旋转磁场的控制问题，通过精确控制磁场的方向和大小，实现对电机的精准控制。
其基本原理如下：1. 空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）：空间矢量调制是FOC无刷电机驱动电路中的关键技术，通过调节三相电压的相位和幅值，实现对电机转矩和转速的控制。
FOC无刷电机驱动电路通过将三相电压分解为一个直流分量和一个交流分量，然后根据电机转子位置的反馈信息，调节交流分量的相位和幅值，使得电机输出的转矩和转速满足控制要求。
2. 磁场定向控制（Field-Oriented Control，FOC）：磁场定向控制是FOC无刷电机驱动电路的核心思想，通过测量电机转子位置和电流信息，将电机控制问题转化为控制磁场方向和大小的问题。
FOC无刷电机驱动电路中的控制算法会根据电机的工作状态，调节电流的大小和相位，使得电机的转矩和转速满足控制要求。
二、FOC无刷电机驱动电路的应用FOC无刷电机驱动电路具有高效能、低噪音、高精度控制等特点，被广泛应用于各种领域。
以下是FOC无刷电机驱动电路的几个典型应用案例：1. 电动车辆：FOC无刷电机驱动电路在电动车辆中的应用越来越广泛。
通过精确控制电机的转矩和转速，可以提高电动车辆的动力性能和续航里程。
此外，FOC无刷电机驱动电路还可以实现电动车辆的能量回馈和制动能量回收，提高能量利用效率。
2. 无人机：FOC无刷电机驱动电路在无人机中的应用也非常重要。
永磁无刷直流电机设计实例
永磁无刷直流电机设计实例永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDC）是一种形式先进的电机，具有高效率、长寿命、高功率密度、高控制精度等优点，已广泛应用于机床、机器人、电动工具等领域。
在本文中，我们将介绍永磁无刷直流电机的设计实例。
1. 电机参数计算在进行永磁无刷直流电机设计之前，首先需要计算出电机的一些参数，包括额定功率、额定转速、额定电压、额定电流等。
这些参数将作为电机设计的基础。
1.1 标称功率Pn = Tmax × ωnPn 为电机标称功率，Tmax 为电机最大扭矩，ωn 为电机额定转速。
1.2 额定转速永磁无刷直流电机的额定转速通常由应用需求决定。
对于电动工具来说，需要较高的额定转速，而对于机床来说，需要较低的额定转速。
通常情况下，可以根据应用的要求来选择适当的额定转速。
永磁无刷直流电机的额定电压通常由电源系统决定。
通常情况下，可以选择电压稳定器或直流电源来提供稳定的电压。
根据实际需求和电源系统的限制，可以确定电机的额定电压。
2. 永磁体设计永磁体是永磁无刷直流电机中最重要的组件之一，其设计将直接影响电机的性能。
永磁体的设计包括永磁体的形状、尺寸以及选用的材料。
2.1 形状与尺寸永磁体的形状和尺寸对电机的输出特性有着重要的影响。
通常情况下，可以选择方形、圆形、椭圆形等形状，并根据电机设计参数计算出永磁体的尺寸。
2.2 材料选择永磁体选用的材料决定了电机的性能。
目前常用的永磁体材料有 NdFeB、SmCo、AlNiCo 等。
不同的永磁体材料具有不同的磁性能、机械性能和耐温性能，应根据实际应用需求进行选择。
3. 绕组设计绕组是永磁无刷直流电机中的另一个关键组件，在电机的输出特性和效率上起着重要作用。
绕组的设计涉及到绕组的形状、导线直径、匝数和线材材料等方面。
绕组的形状通常与永磁体相对应，可以根据永磁体的形状来确定绕组的形状。
3.2 导线直径导线直径直接影响到电机的电阻和电感，对电机的输出特性和效率有着重要影响。
无感FOC风机控制硬件设计指南
4 硬件设计——功率板
辅助电源设计
― 对于低压直流供电的控制器，辅助电源可以采用线性电源（比如LM7815、LM317）等，以 简化电路、节省成本。 ― 也可以采用DC/DC电源，以降低辅助电源的功耗。 常用方案有：LM2596，LM2576，LMZ12xxx，LM5007，TLE6365等。 ― 如果供电电压超过60V，则可以用隔离型的DC/DC提供辅助电源， 常用器件有：UCC2842/2843/2844/2845，TOPswitch系列，ICE系列（ICE2Axx65， ICE3Bxx65，ICE3AS03LJG等），NCP系列（NCP1050，NCP1200等）
无位置传感器 FOC 空间矢量脉宽调制（SVPWM） 单母线电阻，双/三桥臂电阻取样 运放 16KHz以上 9000转(4对极)
系统调试
功率等级 启动方式 保护措施
上位机软件
24V/100W 静止启动、顺转启动 过流、欠压、过压
4 硬件设计——硬件组成
无感FOC风机控制硬件由控制部分和功率部分组成。 本设计中控制部分和功率部分自成板卡，相互间通过排线连接。
POSIF电机位置接口：三相霍尔位置传感器 SPI通讯接口支持片外DAC扩展
通讯接口：RS-232
仿真调试接口：Cortex-Debug接口，JLINK-Debug接口 功率信号接口：提供PWM信号，并采集功率板状态
4 硬件设计——控制板
XMC1302的主要特性：
―
― AC220V供电的小功率电机控制，可以选择分 立的IGBT、MOSFET或者集成度较高的IPM
4 硬件设计——功率板
MOSFET选型
― 本控制器电压为24V（允许有一定电压波动），选择40V或55V/60V的MOSFET ― 为了避免采用散热器，选用内阻较小的MOSFET ― 综合考虑，参考设计中选用英飞凌BSC016N06NS ― 耐压60V ― 内阻 1.6 mohm
基于foc矢量控制的无刷直流电机控制器设计
知识专题：基于foc矢量控制的无刷直流电机控制器设计一、简介无刷直流电机（BLDC）是一种使用电子换向控制器而不是机械换向器来转动电机的电机类型。
它具有高效率、低噪音和长寿命等优点，因此在许多领域得到广泛应用。
而基于磁场定向控制的FOC矢量控制则是一种提高无刷直流电机性能的先进控制技术。
本文将就基于FOC矢量控制的无刷直流电机控制器设计进行深入探讨，包括其原理、设计要点以及应用场景等。
二、FOC矢量控制原理及优势FOC矢量控制是一种以矢量运算为基础的控制策略，通过对电机磁场和电流进行矢量控制，可以实现电机高效、精确的控制。
与传统的直接转矩控制（DTC）相比，FOC矢量控制具有转矩响应快、效率高、噪音小等优势，特别适用于对电机性能要求较高的场景。
三、基于FOC矢量控制的无刷直流电机控制器设计要点1. 电机参数识别：首先需准确识别电机的参数，包括电感、电阻、磁通极链系数等。
这些参数将直接影响控制器设计和性能表现。
2. 闭环控制策略：基于FOC矢量控制的无刷直流电机控制器通常采用闭环控制策略，例如PID控制。
通过精确的闭环控制，可以实现电机的精准转速和位置控制。
3. 硬件设计：控制器的硬件设计非常重要，包括功率电子器件选型、电路板布线、散热设计等。
合理的硬件设计可以提高控制器的稳定性和效率。
4. 软件算法：控制器的软件算法是FOC矢量控制的核心，其中包括空间矢量调制、换向算法、速度闭环控制等。
优秀的软件算法可以提高电机的控制精度和动态性能。
四、基于FOC矢量控制的无刷直流电机控制器应用场景1. 电动汽车：FOC矢量控制的无刷直流电机控制器在电动汽车领域有着广泛的应用。
其高效、精准的控制特性可以提高汽车的动力性能和续航里程。
2. 工业机器人：在工业机器人领域，FOC矢量控制的无刷直流电机控制器可以实现机器人的高速精度运动，提高生产效率和产品质量。
个人观点基于FOC矢量控制的无刷直流电机控制器设计是现代电机控制领域的重要研究方向，其在提高电机性能和应用领域拓展方面具有巨大潜力。
直流无刷电机的foc控制原理
直流无刷电机的foc控制原理As we all know, field-oriented control (FOC), also known as vector control, is a popular method for controlling brushless DC motors. FOC is a sophisticated control technique that allows for precise control of the motor speed and torque, resulting in improved efficiency and performance. FOC works by aligning the stator magnetic field with the rotor magnetic field, allowing for optimal motor operation.众所周知，场定向控制（FOC），也被称为矢量控制，是控制无刷直流电机的一种常用方法。
FOC是一种复杂的控制技术，可以实现对电机速度和扭矩的精确控制，从而提高效率和性能。
FOC通过将定子磁场与转子磁场对准，实现电机的最佳运行。
One of the key components of FOC is the use of a rotating reference frame to simplify the control algorithm. This rotating frame makes it easier to control the motor by separating the stationary and rotating components of the magnetic field. By doing so, the control algorithm can focus on the necessary components of the magnetic field to achieve the desired performance.FOC的关键组成部分之一是使用旋转参考框架来简化控制算法。
foc电机控制软硬件设计及动手实践
FOC电机控制软硬件设计及动手实践一、引言在现代工业控制领域中，电机控制是一个重要的研究方向。
而FOC（Field-Oriented Control）电机控制技术是一种常用且高效的电机控制方法。
本文将深入探讨FOC电机控制的软硬件设计及动手实践。
二、FOC电机控制概述FOC电机控制是一种基于磁场定向原理的控制方法，通过将电机的控制分为两个独立的部分：电流控制和转矩控制，实现对电机的精确控制。
FOC电机控制的核心思想是将电机的磁场与转子磁场进行分离，从而实现对电机的精确控制。
2.1 电流控制电流控制是FOC电机控制的第一步，通过控制电机的电流来实现对电机的转矩控制。
电流控制通常使用PID控制器来实现，通过测量电机的电流与设定值之间的差异，对电机的输入电流进行调整，从而实现对电机的转矩控制。
2.2 转矩控制转矩控制是FOC电机控制的第二步，通过控制电机的磁场与转子磁场之间的相对位置，实现对电机的转矩控制。
转矩控制通常使用磁场定向控制（Field-Oriented Control）算法来实现，通过对电机的磁场与转子磁场进行分离，从而实现对电机的转矩控制。
三、FOC电机控制的软硬件设计FOC电机控制涉及到软硬件设计两个方面，本节将分别讨论这两个方面的设计要点。
3.1 软件设计在FOC电机控制的软件设计中，需要考虑以下几个方面：3.1.1 控制算法选择合适的磁场定向控制算法对电机进行控制。
常用的算法包括基于dq坐标系的磁场定向控制算法和基于矢量控制的磁场定向控制算法。
根据具体的应用场景选择合适的算法进行实现。
3.1.2 控制参数调整根据电机的特性和应用需求，调整控制算法中的参数，以达到最佳的控制效果。
这些参数包括PID控制器的比例、积分和微分系数，以及磁场定向控制算法中的转子磁场位置等参数。
3.1.3 控制策略制定合适的控制策略，包括启动策略、加速策略和减速策略等。
通过合理的控制策略，可以提高电机的效率和稳定性。
基于FOC矢量控制的电机控制器
基于 FOC矢量控制的电机控制器摘要：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。
基于滑膜观测的FOC无刷电机控制系统设计
基于滑膜观测的FOC无刷电机控制系统设计
许为龙;徐宏宇
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2024(53)1
【摘要】针对目前全驱动型机器人的高工作精度以及高稳定性需求,设计全驱动型机器人关节驱动控制系统。
基于无刷电机数学模型,电机驱动方案采用矢量电机控制算法FOC,电机角速度位置采用有感、无感相结合获取,即在启动以及低速转动下采用位置传感器,在中高速转动下切换使用滑模观测器。
观测器对电机反电动势观测值进行运算处理,获得电机位置和速度。
在MATLAB/Simulink搭建控制模型,验证算法可行性。
仿真结果表明:在负载情况下,中低转速下,控制精度低,低成本位置传感器足以满足控制需求;在中高转速下,位置获取方法切换为滑模观测器,此时无位置传感器控制,无需使用高精度位置传感器,根据电机运行的电流观测到的位置,足以满足中高转速需求。
且观测器监测内部运行状态,无视外界影响,大大提高控制系统的响应性与稳定性。
【总页数】5页(P159-162)
【作者】许为龙;徐宏宇
【作者单位】沈阳航空航天大学电子信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP24;TP27
【相关文献】
1.基于BLDCM和FOC算法的汽车电子水泵控制系统设计
2.一种基于FOC与PID 算法的无刷电机的驱动设计与实现
3.基于FPGA的永磁同步电机FOC矢量控制系统设计
4.基于DRV8302的FOC无刷电机驱动设计
5.基于STM32F411的无刷直流电机FOC控制系统设计
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基于CPLD的无刷直流电机控制器设计毕业设计
Z S T U Zhejiang Sci-Tech University 本科毕业设计Bachelor’S THESIS论文题目：基于CPLD的无刷直流电机驱动器设计浙江理工大学机械与自动控制学院毕业论文诚信声明我谨在此保证：本人所写的毕业论文，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。
论文主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。
如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。
声明人（签名）：年月日无刷直流电机（BLDC）利用电子换相装置代替了有刷直流电机的机械换相装置，使其既具有直流电动机的调速性能，且体积小、重量轻、效率高、无励磁损耗等特点，同时又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。
因此在国民经济的各个领域，如医疗机械、仪器仪表、化工、纺织以及家用电器和办公自动化等方面都有广泛的应用。
而在对系统提出响应速度快、精度高、控制板体积小、可靠性高等要求下，采用基于单片机等芯片的控制系统一般难以实现这一要求，而基于DSP等芯片的控制系统一般成本又太高。
但随着无刷直流电机的各种控制方法正日趋成熟，特别是大规模现场可编程门阵列FPGA、CPLD的出现，为实现这些要求提供了可能，本课题便是基于这一背景而提出的。
本文提出了一种基于CPLD的无刷直流电机控制器。
重点分析了控制器的硬件电路组成及其工作原理。
并进一步绘制了控制器的PCB板。
接着针对控制器所肩负的控制任务，提出了完整的控制器算法，并最后用Simulink仿真验证了所提出的控制算法。
关键词：BLDC；CPLD；BLDC控制器；BLDC Simulink 仿真；Brushless DC motor (BLDC) is using electronic commutation device instead of mechanical commutation device of brush DC motor. BLDC’s speed performance has the characteristics of DC motors, and it is also has small volume, light weight, high efficiency and no excitation loss advantages. BLDC also has the advantages of AC motor, such as simple structure, reliable operation, convenient maintenance, etc…Therefore, BLDC had been using in the wide range fields of national economy, such as medical equipment, instrumentation, chemical, textile, household appliances and office automation.The control requirements of high reliability, such as fast response speed, high precision, small size. Based on MCU chip control system is generally difficult to realize this requirement. And, the cost of control system based on DSP chip is generally too high. However with all kinds of Brushless DC motor control method is becoming more and more mature, especially the large-scale field programmable gate array FPGA, CPLD appeared, provides the possibility to realize these requirements. This topic is proposed on the basis of this background.This paper presents a brushless DC motor controller based on CPLD .Focus on the analysis of the hardware controller and its working principle. And I have completed the design of PCB controller. According to the control task the controller had, a controller algorithm was proposed. And finally, using Simulink simulation verified that the proposed control algorithm.Key words: BLDC;BLDC controller;BLDC Simulink simulation;目录摘要Abstract第1章绪论 (1)1.1课题的背景和意义 (1)1.2 国内外研究现状和发展趋势 (1)无刷直流电机简介 (1)无刷直流电机的控制技术 (3)1.2.3无刷直流电机控制技术的发展趋势 (6)1.3本文的研究内容 (7)第2章控制器硬件电路设计 (9)2.1电路的总体结构 (9)2.2各模块解析......................................................................................... 错误!未定义书签。
基于FOC的电机变频器控制系统设计
基于FOC的电机变频器控制系统设计电机变频器控制系统是一种广泛应用的电力传动装置，在工业控制领域中发挥关键作用。
然而，随着机器自动化程度和工业控制技术的不断提升，对电机变频器控制系统的要求也逐渐提高。
因此，本文将介绍基于FOC的电机变频器控制系统设计，旨在提高电机控制的精度和效率。
1. 引言电机变频器控制系统是现代工业自动化过程中不可缺少的一环，广泛应用于机械加工、制造、输送、冶金、船舶、化工、高铁、电梯等领域，实现了电动机的高效控制。
2. 传统电机控制系统的问题传统的电机控制系统存在一些问题，例如控制精度不高、适应性差、鲁棒性差等。
为了解决这些问题，FOC（Field Oriented Control，磁场定向控制）技术被广泛使用。
3. FOC技术优势FOC技术采用d-q坐标系分解要控制的电机矢量，转化为控制转矩和控制磁通两个变量的PID控制问题。
这种方法大大提高了电机的控制精度，而且具有良好的动态和静态性能、可靠性和稳定性等优点。
4. 基于FOC的电机变频器控制系统设计基于FOC的电机变频器控制系统主要包括电机控制器、电机驱动、控制算法以及相关的硬件、软件等。
4.1 电机控制器电机控制器主要包括数据采集、信号处理、控制算法等模块。
在FOC控制中，通过磁链观测器可以实时获得电机的磁链信息，从而实现闭环控制。
4.2 电机驱动电机驱动是FOC控制的核心，其功能是控制电机的电流和转矩。
常用的电机驱动模块包括SPWM模块、六段式模块等电路，可以实现从低速到高速、从小负载到大负载范围内的精确控制。
4.3 控制算法FOC控制算法包括速度闭环和电流闭环。
速度闭环是通过PID控制器计算电机转速误差，并以此控制电机电流；电流闭环是通过PID控制器计算电机电流误差，并以此控制SPWM模块、六段式模块输出相应PWM波形。
4.4 相关硬件和软件电机变频器控制系统还需要相关的硬件和软件支持，例如电源模块、接口板、程序管理器、编程软件等。
基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器设计
基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器设计一、本文概述随着科技的发展，无刷直流电机（BLDC，Brushless Direct Current）以其高效、低噪、长寿命等优点，在各种应用场景中逐渐取代了有刷直流电机。
其中，硬件场向控制（FOC，Field Oriented Control）作为一种先进的控制策略，被广泛应用于无刷直流电机的驱动器设计中。
FOC技术通过精确控制电机的磁场和转矩，实现了电机的高效、平稳运行。
本文旨在探讨基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器设计。
我们将对无刷直流电机和FOC技术的基本原理进行介绍，以帮助读者理解无刷直流电机的工作原理和FOC控制的优点。
接着，我们将详细阐述基于硬件FOC的驱动器设计方案，包括硬件选型、电路设计、软件编程等方面。
我们将通过实际应用的案例分析，展示基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器的性能表现和应用前景。
通过本文的阅读，读者将能够全面理解基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器设计的全过程，掌握其核心技术，为相关领域的研发和应用提供有益的参考。
二、无刷直流电机基本原理无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDC）是一种利用电子换向器替代传统机械换向器的直流电机。
其基本原理是，通过电子换向器控制电机的定子绕组电流，以产生旋转磁场，从而驱动转子转动。
由于无刷直流电机消除了机械换向器带来的摩擦和火花，因此具有更高的效率和更长的使用寿命。
无刷直流电机的主要组成部分包括定子、转子和电子换向器。
定子由多个电磁绕组组成，这些绕组通过电流产生磁场。
转子是一个带有永磁体的旋转部分，它在定子的旋转磁场中转动。
电子换向器则负责控制定子绕组的电流方向，从而改变旋转磁场的方向，使转子能够持续转动。
在无刷直流电机中，电子换向器通常由功率电子开关（如功率晶体管或MOSFET）和控制器组成。
控制器根据电机的运行状态和所需的转速或转矩，控制电子开关的通断，从而调节定子绕组的电流大小和方向。
基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器设计
2021年第40卷第6期传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)89DOI ： 10.13873/J. 1000-9787(2021)06-0089-03基于硬件FOC 的无刷直流电机驱动器设计**收稿日期=2019-09-25*基金项目：2018年度南充市科技计划项目(18GXJS0014)王其军J 杨坤S 苏占彪彳，杨峰'(1•西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500；2.西南石油大学机电工程学院，四川成都610500；3.四川中匠科技有限公司，四川南充637000)摘 要：针对目前无刷直流电机(BLDC)驱动器尺寸大、控制效果不理想、稳定性差等问题,设计了基于硬件矢量控制(FOC)的无刷直流电机驱动器。
以TMC4671为控制核心，通过电流采集电路实时跟踪相电流,通过编码器获得电机实时位置信息，通过半桥驱动电路驱动电机。
TMC4671为硬件FOC 芯片，内部通 过硬件的方式实现FOC 算法。
对比软件方式，运算速度更快、稳定性更高。
该駆动器的设计能能够为相关开发人员提供参考，并且由于芯片集成度高，尺寸小,使得高性能的嵌入式电机控制成为可能。
关键词：矢量控制；无刷直流电机；电机驱动中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1000-9787(2021)06-0089-03Design of BLDC motor driver based on hardware FOCWANG Qijun 1, YANG Kun 2, SU Zhanbiao 3, YANG Feng 3(1. School of Petroleum Engineering , Southwest Petroleum University , Chengdu 610500, China ；2. School of Mechanical Engineering , Southwest Petroleum University , Chengdu 610500, China ；3. Sichuan Zhongjiang Technology Co Ltd , Nanchong 637000, China )Abstract : Aiming at the problems of large size , unsatisfactoiy control effect and poor stability of brushless DCmotor driver,a brushless DC motor driver based on hardware field oriented control ( FOC) is designed. This driver takes TMC4671 as the control core , tracks the phase current through the cunent acquisition circuit , obtains thereal-lime position information of lhe motor ihrough the encoder,and drives the motor through lhe half-bridge drive circuit. TMC4671 is hardware FOC chip , FOC algorithm is implemented by hardware internaily. Compared withsoftware , the algorithm is faster and more stable ・ The design of the drive can provide reference for relevant developer , and due to the high integration and the compact size , it is possible to achieve high performanceembedded motor control.Keywords : field oriented control ( FOC) ； brushless DC( BLDC) motor ； motor driver0引言与有刷直流电机相比，无刷直流电机(brushless DC, BLDC)用电子换向器取代了机械换向器，因此BLDC 既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点，广泛应用 于电子数码消费品、工业控制、医疗设备、家用电器等领域⑴。
一种基于FOC与PID算法的无刷电机的驱动设计与实现
2021年8期科技创新与应用Technology Innovation and Application设计创新一种基于FOC与PID算法的无刷电机的驱动设计与实现吴丽红1，冯琢成2，李东凯3，张慧洁2，陈应松2，禹玮2（1.成都工业学院智能智造学院，四川成都611730；2.成都工业学院自动化与电气工程学院，四川成都611730；3.中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川成都610036）应用在RoboMaster机器人大赛的机器人的全向机动底盘的无刷电机具有高容量、高精度、快速响应等优点，不仅被应用在机器人上，还在制造业以及工业等领域被广泛的运用。
但随着高新制造业的日渐精密化，传统的无刷电机控制精度已经开始力不从心[1]，同时，为了增添Robo原Master大赛中的机器人的战斗力，有必要对无刷电机驱动器进行研究并改进设计[2]。
本文旨在传统的无刷电机的驱动器的基础上，改良电路结构和选型以期实现更高的效率与容量的同时提高驱动器功率密度，实现输入电压27V的情况下峰值功率能够达到250W，同时为满足比赛规则要求的机器人设计安全性，需要随时对电机的运行状态进行监视，在必要的时候能够及时关断底盘供电避免发生事故。
由此设计出的无刷电机驱动器具有高功率密度、高可靠、高精度以及模块化的特点，可广泛应用在机器人关节、运动底盘等需要较高驱动功率的同时又需要精确度的场景。
1系统硬件设计无刷电机驱动器由控制电机的硬件部分和处理数据的软件部分两部分构成。
系统硬件设计包括主控制器模块、霍尔传感器、热敏传感器、电压电流采集与调理电路、人机交互接口、显示模块和三相驱动桥等。
系统设计框图如图1所示。
1.1主控制器模块主控制器模块选用STM32F405RGT6为主控制器。
相较于STM32F1系列，STM32F4系列不仅主频更高，拥有内置浮点运算单元，在做复杂算法控制时拥有先天优势，所以F4系列是本项目的最佳选择。
主控制器结合复位电路和时钟电路，组成单片机最小系统。
基于foc控制的bldc低速增加电流补偿方法
基于foc控制的bldc低速增加电流补偿方法1. 引言1.1 概述在现代工业中，无刷直流电机（BLDC）广泛应用于各个领域，如汽车、家电和机械等。
为了提高BLDC的性能和效率，针对其控制方法进行了多种研究。
其中，基于场导向控制（Field-Oriented Control, FOC）的控制策略被认为是一种高精度、高效率的控制方法。
然而，在BLDC低速运行时会出现电流不足的情况，从而影响了其运动性能和输出扭矩。
因此，为了克服电流不足问题，并实现更好的低速增加电流补偿，在本文中提出了一种基于FOC控制的BLDC 低速增加电流补偿方法。
1.2 文章结构本文总共分为五个部分。
首先是引言部分，介绍了本文所要解决的问题以及整体文章结构。
接下来是基本概念部分，其中包括对BLDC 电机的介绍、FOC控制原理以及低速增加电流补偿的意义。
第三部分是研究方法，详细描述了数据采集与处理方法、动态模型建立与仿真平台搭建以及方案设计和实验参数设定。
第四部分是实验与结果分析，介绍了实验设备与参数设置，并验证了低速增加电流补偿方案的实验结果，并对结果进行了分析和讨论。
最后一部分是结论与展望，总结了研究成果并展望了创新点和应用前景，同时提出了后续工作规划及优化方向研究思路。
1.3 目的本篇文章的目的在于提出一种基于FOC控制的BLDC低速增加电流补偿方法。
通过此方法，旨在解决BLDC在低速运行时电流不足的问题，进而提高其运动性能和输出扭矩。
通过详细阐述研究方法和实验结果，并进行分析和讨论，为进一步完善该方法提供理论依据和技术支持。
希望通过本文的研究，推动BLDC控制技术的发展并为相关领域的应用提供指导意义。
2. 基本概念2.1 BLDC电机介绍直流无刷电动机（BLDC）是一种采用永磁体作为转子的旋转电机。
与传统的直流电动机相比，BLDC电机在结构上更简单，并且没有碳刷与换向器。
它具有高效率、高功率密度和长寿命等优点，在各个领域得到了广泛应用，如电动车辆、家用电器和工业驱动系统等。
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基于硬件 FOC 的无刷直流电机驱动器设
计
邮编：114051
摘要：
随着科技水平的快速发展，对电机的控制要求越来越高，在工业上：电子装备过程中对电机的控制要求越来越高；在医疗领域中：远程控制手术、医护人员使用设备进行细微手术中对设备电机的精度要求越来越高。
并且目前电子数码消费品、工业控制、无人机、机械臂、云台、仿生机器人等设备的电机均需要高精度的闭环或者开环控制，以实现其精准化。
与有刷直流电机相比，无刷直流电机( brushless DC， BLDC) 用电子换向器取代了机械换向器，因此 BLDC 既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点，广泛应用于电子数码消费品、工业控制、医疗设备、家用电器等领域。
本课题所设计的FOC矢量控制可以使电机的运行更加平稳和高效。
本课题还对传统的电机驱动进行升级改造，并能够实现双路电机同步控制。
并且使用了Simulink电机环境配置软件，进行电路模拟仿真，提高模块的实用性和可行性。
本项目能够实现实物与模型的同步，先基于模型的仿真控制，再进行实物的设计与升级。
关键词：FOC；Simulink;同步控制
引言：
目前对于电机的控制主要是BLDC，BLDC的驱动控制的方式有方波驱动与正弦波驱动。
方波驱动控制简单，但会产生刺耳的噪音，在电机的低速状态下非常难控制; 尽管正弦波驱动能够做到平滑的换向，在低速状态也具有良好的控制效果，但在高速状态下，由于电流环必须跟踪频率不断升高的弦波信号，还要克服由于振幅和频率不断提高的电机反电动势，当达到控制器的极限带宽时，这种
控制就失去了作用。
矢量控制( field oriented control，FOC) 既具有正弦波
驱动的平滑控制，又解决了高速状态下失控的问题，并且由于其控制特点，能够
使电机运行更加高效。
一、驱动器设计原理
FOC实现了电流矢量的控制和机电定子磁场的矢量控制，转矩波动小、效率高、噪声小、动态响应快，FOC技术有低转速下控制，电机换向，力矩控制，我
们通过利用硬件设计软件立创EDA设计FOC 控制电路，设计基于STM32F407VET6
的电机驱动控制模块，通过简单的焊接，实现FOC的模型化，实现对无刷直流电
机的精准化控制， BLDC 的驱动控制的方式有方波驱动与正弦波驱动。
方波驱动
控制简单，但会产生刺耳的噪音，在电机的低速状态下非常难控制; 尽管正弦波
驱动能够做到平滑的换向，在低速状态也具有良好的控制效果，但在高速状态下，由于电流环必须跟踪频率不断升高的弦波信号，还要克服由于振幅和频率不断提
高的电机反电动势，当达到控制器的极限带宽时，这种控制就失去了作用。
为解
决这一问题，我们设计了一款FOC ，矢量控制( field oriented control，FOC) 既具有正弦波驱动的平滑控制，又解决了高速状态下失控的问题，并且由于其控
制特点，能够使电机运行更加高效。
并通过后续使用Simulink以及SimpleFOC Studio图形化调试软件对电机进行可视化的调整。
进而实现基于FOC 的电机精
准化控制及仿真。
具体运行原理如图1所示。
图1
二、驱动器设计方法
1、针对硬件设计电路
本设计中使用立创EDA绘制要设计的FOC控制器的原理图以及设计器基本的PCB，通过利用STM32进行自有的ADC数据采集。
其中ADC数据采集模块负责将模拟信号转化为数字信号，其采集速度和采集精度将会影响整个系统的性能。
ADC转换包括采样、保持、量化、编码四个步骤。
采样阶段需要在规定的采样时间内将外部信号的电压完整无误的采样到ADC的采样电容上，即在采样开关SW 关闭的过程中，外部输入信号通过外部的输入电阻RAIN和以及ADC采样电阻RADC对采样电容CADC充电。
通过以上基数本课题设计了一套完成体系的电机数据采集系统，并能够在硬件方面实现电流环等的精准控制。
2、针对后续仿真测试
在后续的仿真测试中，本设计通过Simulink提供模拟动态物理系统的环境进行电机控制的应用，并能够利用Simulink进行电机参数的估算，进一步的设计电机参数的算法并模拟电机系统，进而调节速度环和电流环的PI参数。
Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。
除了使用Simulink对电机参数进行仿真以外，本设计同时也使用LTspiceXVII进行电机电路的仿真实验，实时观测电路状态。
Tspice XVII作为一款专业的机械行业软件，LTspiceXVII可以提高输出设计的复杂性。
LTspiceXVII可以在不使用内部节点的情况下显示它们的配置，对计算电路所需的时间有直接影响，但不会影响开关波形。
该应用程序附带了一个可以添加到电路中的预定义组件的变量集合，包括电阻、电容器、电感器和二极管、导线、总线抽头、文本框、标签等。
每个组件都可以通过右键单击单独配置。
用户可以修改电阻的电阻、公差水平和额定功率，以及电压源的功能、寄生特性和振幅。
一旦完成方案的工作，用户就可以在内置编译器和模拟器的帮助下评估其有效性。
LTSpice还能够模拟开关调节器和电路，并在实际构建电子元件之前运行测试模拟。
并提供了一个安全的环境，用户可以在其中设计自己的电路并进行测试。
结语：
随着我国高新科技的持续发展，我国制造业越来越趋向于智能化、数字化和高精度化。
这对于提高国民经济和降低生产成本大有裨益。
本设计提升了对电机控制的精细化和准确度，这对于我国医疗科技的发展和仿生机器人等高精尖领域的科技发展是有所裨益的。
自动控制技术作为新一代的信息技术与制造业深度融合的产物，是我国在实现数字化转型的重要途经，也是实现新旧动能转化的强大力量。
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[8]武洁,王文磊,张恒毅等.一种带抽头线圈的无刷直流电机无线驱动与控制方法[J].电工技术学报,2022,37(23):6116-6125.项目作者：田耀鹏庞鸿严远
斌余继鹏刘雪飞
基金项目：辽宁科技大学大学生创新创业计划专项经费资助项目（项目编号：X202210146172）
作者简介：田耀鹏（2000-），男，大学本科，专业光电信息科学与工程，
方向：嵌入式以硬件设计。