FOC无刷电机学习（一）

一、无刷电机

           图为无刷电机构造图
  有线圈绕组，固定不动的部分是定子；
  图中黑色部分是转子—用于输出电机的转动和扭矩。

  我们常见的无刷电机有两种类型，一种是外转子无刷电机(如图左图所示)，一种是内转子无刷电机(如图右所示)

外转子无刷电机：转子在外面，我们常见的无刷电机。比如航模无刷电机，就是外转子无刷电机

  直流无刷电机的驱动，是需要依靠改变电机定子线圈的电流交变频率和波形, 在定子周围形成磁场, 驱动转子永磁体转动, 进而带动电机转起来。 研究如何改变定子线圈的电流交变频率和波形是至关重要的。

二、无刷电机硬件

  无刷电机与有刷电机存在很多区别

无刷电机跟有刷电机的区别, 顾名思义就是无刷电机没有了有刷电机里的电刷。因此它不能够如同有刷电机那样采用机械结构就可以进行电流的换向，
必须通过采用如这MOS样的器件实现电子换向，MOS本质上就是可以理解为一种开关，可以像水龙头控制水流通断一样控制电流通断。

  如上图所示在不同封装下的MOS管

  上图右侧A/B/C三个星形无刷电机连接方式

  当打开Q1管和Q2管, 电流的方向由A相流到B相, 再流出到负极，
根据右手螺旋定则，此时电机定子的磁场分布就如上图所示。
因此，此时定子线圈就会吸引转子的磁铁转动。
  但是这时你会发现

当转子磁铁旋转一定角度之后，磁铁此时就停止不动了，因此必须得改变现在的电磁场状态才能够让转子继续转动

  当我们我们打开Q1、Q4时，磁铁再次发生转动

  如果我们尝试以不同的方式打开不同的MOS管，星形无刷电机的通电方式会不同，同时磁铁的朝向也有所不同。
  如下图不同相通电是磁铁的朝向：

 上面的这张图，就是总结了转子磁铁旋转一周时各个相的通电情况，那么只要交替的开关这些各个相的MOS管，实现电机的转动。
 当MOS管开关的速度变快，那么就可以加速转子的转动；当MOS管开关的速度变慢，那么转子的转动速度减慢。

  因此，我们就可以总结出一条规律：对电机的控制实际上就是对MOS管开关规律的控制。
  而MOS管的开关规律是需要用到单片机程序进行控制的，因此这就引出了我们的FOC控制算法，

FOC控制就是一种对电机运动模型进行抽象化和简化，进而有规律控制各个MOS管开关和通断的过程。

三、FOC概述

  FOC（Field-Oriented Control），即磁场定向控制，也被称为矢量控制，是一种先进的电机控制策略，特别适用于交流电机（如直流无刷电机，实际上直流无刷电机内部是通过电子换向实现类似交流电机的行为）的控制。这种控制方法的核心在于对电机内部磁场的精确控制，以实现对电机转矩和转速的精确调节。
　　我们的FOC控制与普通六步换相控制有什么不同的地方呢?
　　在这之前我们可以去看看六步换相控制：

六步换相控制（Six-Step CommutationControl）
1.也称为梯形换相，是一种用于控制三相无刷直流（BLDC）永磁电机的常见且基本的换相方法。
2.控制原理：六步换相控制基于电机的转子位置信息，通过依次切换不同的相来驱动电机。在六步换相过程中，控制系统会根据转子的位置信息，按照一定的顺序和时序，控制电机的三相电流，从而实现电机的连续旋转。
3.控制结构:在六步换相控制系统中，通常包括外环速度环和内环电流环两个控制环。速度环负责接收给定转速信号，并将其转换为电机转速指令；电流环则负责将电机转速指令转换为电流指令，通过控制电流大小和方向来实现电机的转速和转向控制。这种双环控制结构有助于提高系统的控制精度和稳定性。

  对于直流无刷电机的控制，采用六步换相确实可以驱动电机运转，但是如果从原理上深入理解一下便可以发现其缺陷，六步换相技术通过传感器检测(通常为霍尔)当前转子磁场位置，之后控制三相输出产生合成磁场，通过此合成磁场吸引转子磁场转动，从而实现电机的驱动。
此方法的缺点是:由于只能产生六种固定的合成磁场，转子磁场所处位置不同，所受磁力不一致，因此此方法的缺点便是对于电机力矩控制不稳定(在电机转速较低时更加明显)，效率低(磁场产生的吸引力不能成90°完全做功)
  针对六步换相存在的这些缺陷，伟大的前辈们提出了FOC这种控制算法。

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