基于FOC算法的PMSM控制策略研究

基于FOC算法的PMSM控制策略研究
摘要：FOC--Field Oriental Control，即磁场定向控制（FOC），又称“矢量控制”，
本质上就是通过控制变频器的输出电压和频率，从而控制三相交流电机。

根据磁
场定向原理，分别对电机的励磁电流和转矩电流进行控制，测控电机的定子电流
矢量，将三相交流电机作为直流电机进行控制。

同步旋转坐标轴选择电机一个旋
转磁场轴，磁场定向轴有三种选择：定子磁场定向、转子磁场定向、气隙磁场定向。

在磁链关系中，定子磁场定向和气隙磁场定向均存在耦合，矢量控制结构十
分复杂。

而参考直流电动机控制方式的转子磁场定向利用坐标变换，把交流电动
机的定子电流分解成磁场分量电流（等效于励磁电流）和转矩分量电流（等效于
负载电流），即磁通电流分量和转矩电流分量，两者完全解耦（无任何耦合关系），然后对它们分别进行控制，从而得到了等效于直流调速系统的动态性能。

关键词：FOC，坐标变换，解耦。

1 FOC算法概述
FOC控制技术在工控应用领域中效果非常好，尤其是电机控制。

国内FOC应
用只是初级阶段，落后国外一大截。

现在FOC发展前景很好，但是国内一些公司还没有研究透彻FOC算法的核心，而国外已经应用广泛且较为成熟，因此，FOC
算法控制技术在国内大有发展前景。

若使用正弦方法激励，使得所施加电流空间矢量与转子位置成正比，定子电
流与转子磁通耦合产生的电磁转矩使转子转动。

这里需要注意的是：需要定子电
流超前转子电流位置90度，这时候力矩最大，从而实现最优转矩，而力矩与电
流空间矢量成正比，最后得到的PMSM电气模型如下图所示：
硬件电路实现过程如下：
1、电流采样电阻（精密电阻）；
硬件上，正弦波FOC矢量控制器。

在PCB上必须采用精密电阻，大功率的PMSM控制器
一般采用专用电流HALL霍尔传感器。

2、MOSFET专用驱动IC
成本上讲，驱动MOSFET器件用的是分立器件，像二极管、三极管的开关速度及损耗等
硬件条件无法满足正弦波控制系统的设计理念，所以通常采用成熟的驱动集成芯片IC（像IR
的IR21xx系列），以此来驱动MOSFET。

3、MCU
若正弦波控制，则通常采用浮点运算速度相当快的DSP，比如28335之类；或者采用支
持FOC运算要求的专用ST芯片来满足大负荷、超速度运算。

采用正弦波FOC控制器的硬件
成本有点高，还有软件开发成本、生产成本、销售成本、售后维护成本等等。

软件程序实现过程如下，FOC算法软件流程图如下：
4 PMSM运行
PMSM的定子磁势可分解为两个分量，分别与转子磁场平行和与转子正交，只有正交
（交轴）磁场分量才能产生转矩，平行（直轴）磁场分量产生作用于轴的压力，而相电流产
生的定子磁场可以被测量。

方波电机相比正弦波出力大，因为方波电机的气隙磁场经过傅里
叶运算可分为基波和一系列谐波，方波电机的电磁转矩不仅由基波产生，同时也由谐波产生。

方波驱动的平均电磁转矩是正弦波驱动下的1.1倍，但实际应用下，纹波较大，方波驱动下
的电磁转矩纹波约为17%~20%，这个转矩波纹引起电动机的振动、杂音，机械磨耗也较大，
这就严重影响了控制器的性能。

然而，正弦波的转矩波纹一般能做到3%以下，对整个系统性能的影响较小。

SVPWM矢量驱动与SPWM正弦波驱动相比，SPWM的电源电压利用率最大只有85%，而SVPWM则可以达到100%，同时它们输出的波形差别也较大，总体来说，SVPWM控制精度较好。

5 结论
矢量控制技术在电机驱动的电动车之类的实际应用中需要解决两个关键问题：1、低速（0速启动）时的平稳启动；2、高速弱磁时的速度扩张，例如吊车能够做到在吊载大负荷货物时做到无抖动，随时停随时走，同时无滑轮，这就是典型的矢量控制在低速（0速启动）上的应用。

性能优良的FOC控制器和电机是集成了一个整体，需要知道电机的详细参数，才能做好高效率的控制软件算法。

而SPWM的正弦波控制器基本不需要知道电机参数，其适用性很强，适合各种复杂工况下的运行，但效率相比SVPWM就低了很多。

总体上来说，FOC 控制算法是目前发展的一个方向，有广阔的应用前景。

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作者简介：
沈佳，女，1991-01，汉，上海，硕士研究生，助理工程师，研究方向：电机控制与应用。