https://blog.csdn.net/13011803189/article/details/130305309

最近剛學FOC電機控制，文中錯誤在所難免，歡迎批評指正，也歡迎在評論區留言討論。

普通直流馬達（DC MOTOR）的驅動是碳刷換向，能看到這篇文章的朋友應該不用我再去複述一遍直流馬達的工作原理了吧。缺點很明顯，有碳刷換向，換向時會有感生電動勢衝擊。馬達產生的磁場與定子磁場之間的夾角不能保持為0度（或者說180度，是一個意思，以下均以0度表示），驅動力會有波動，也不能產生最大的驅動力矩，也就是能耗高。碳刷換向也會限制馬達的使用壽命。優點是結構簡單，無驅動電路。

針對上述缺點，BLDC無刷直流馬達就產生了。

有一種改進方式是6步換向，對於1極對馬達來說，馬達每旋轉60度角，霍爾元件產生一次換向訊號，驅動電路依照這個訊號對馬達進行換向驅動，省掉了碳刷，也就提高了馬達的壽命和可靠性。

另一種方式是FOC即磁場定向控制(Field Orientation Control)，它可以讓定子和轉子的磁場始終處於接近0度狀態，從而獲得恆定也是最大的驅動力，也讓馬達運作得最有效率。

下圖是FOC控制馬達的完整過程，先不用管它是怎麼實現的，邊學習邊理解就好了。

紅框內是開環狀態的過程，也就是在不獲得馬達位置的情況下，透過強行輸出每個時間節點的控制訊息，來驅動馬達旋轉，至於馬達到底動沒動，先不管它。如果參數設定正確，轉速不高，馬達又是空載的情況下，還是能夠轉起來的。否則馬達可能會在原地發抖。

在驅動馬達之前，假設我們知道馬達的各項參數，這是可以預先測試出來的，也知道電源能提供的最大電壓和電流。

那麼在給定驅動力矩的情況下，由於摩擦力，空氣阻力的存在，馬達是會等速度旋轉的。

我們控制馬達針對的是定子線圈，而轉子因磁場變化是隨動的，在開環運轉時可以先不關心轉子的狀態，只有在進行閉環控制的時候，才開始由編碼器去讀取轉子位置。故而以下所有討論均圍繞著開環狀態中的定子線圈進行。

首先我們用兩個正交放置的線圈，來取代電機定子中120度分佈的三相線圈，並將三相電流投射到α和β軸，並用Iα和Iβ來等效電機的三相電流ia, ib,ic，這樣透過Iα和Iβ這兩路電流來驅動這一對正交線圈，就可以等效的驅動三相線圈了。此方法最早由克拉克女士提出，稱為克拉克變換。

在馬達運轉時，如果定子產生的磁場方向不變化，那麼這個磁場會吸引轉子到一個固定的位置後不再旋轉，馬達就會鎖定在這個位置，類似於步進馬達的定位。如果把磁場旋轉一個小角度，那麼轉子也會被磁場吸引到這個新角度。

定子的三個線圈所產生的磁場等效為某一個方向上的磁場，而這個磁場也可以由同兩個正交佈置的線圈來產生。這個過程稱為帕克變換。

顯然這兩個變換過程存在某種對應關係，克拉克變換用的是電流，帕克變換用的是磁場，而電流乘以電感就是磁場，於是這兩個變換可以連接起來，這樣我們就可以通過磁場的方向和強度，來驅動馬達。

SVPWM實現的就是具體的每個相給多少電壓，由於相電阻和相電感是定值，也就實現了每個相的電流控制，使電機旋轉一個小小的角度，然後重複這個過程，電機就轉起來了。

如上圖所示，

黑色的ABC，表示馬達的定子線圈的三個相，是馬達最基礎的座標系，它的電流為ia,ib,ic

綠色是α和β座標系，表示用兩個的正交線圈去模擬這三個相，座標係為α和β。對應的，它的電流為Iα和Iβ

藍色的是轉子座標系d，q，它本來表示的是磁場，而電流乘以電感就是磁場，所以它也可以等效為id,iq，因為轉子是不停的旋轉的，所以會有一個θ角表示轉子的位置。

FOC驅動無刷馬達時，對於三相無刷馬達來說，是以3路正弦波來驅動的，如下圖。

這裡有一個背景知識，對於真實的電機系統來說，由於摩擦阻力，空氣阻力的存在，給定一個固定的力矩，電機會保持一個固定的轉速，這也就是電機控制最根本的性質，也叫力矩控制，或者叫力矩環。

這個力矩是怎麼來的呢，它來自於UVW或是叫ABC三相的驅動電流。例如我們以1KHz的頻率驅動MOS管半橋，那麼我們需要每秒計算1000次Y的值，X的值就是0秒，0.001秒，0.002秒…直到0.999秒，並相應的計算出Y的值，以驅動3相線圈，使得每個時刻定子產生的磁場，均平行於轉子下一步應該到達的的磁場，如此可以獲得最大的驅動力。

剛剛描述的是開環工作狀態，閉環其實也類似，只是任意時刻馬達的實際位置是由編碼器給出，而不是由時間計算得出。

顯然在任意一個時刻，如果驅動電流不再變化，其電流大小決定了定子產生的磁場的強度，而這並不會改變馬達的旋轉速度，只會改變馬達的保持力矩，也就是扭力，單位是Nm。馬達就會停在目前位置保持鎖定狀態。決定馬達旋轉速度的，是定子磁場強度與磁場變化的速度的乘積。

這種透過控制力矩來驅動馬達旋轉的方式叫做力矩控制，是馬達控制中最頻繁控制也是最核心的環路，也叫做力矩環。

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