新手学习FOC的误区

作者简介：

从事三相异步电机和永磁同步电机的控制开发工作十余年，精通无感FOC控制。涉及产品包括变频器，伺服，电动工具，吸尘器，螺旋桨，无人机，空压机等。功率范围包括100W~100kW，电压范围包括14VDC~660VAC。

从2020年开始在知乎和公众号做技术分享，一贯的理念是尊重知识，尊重劳动，尊重版权，持续性输出价值。期待所有同行获得足够的报酬，越来越多人愿意从事电机控制行业。

在和读者朋友们的交流中，有很多朋友学习FOC往往有一些误区。

有些朋友是从方波过渡到FOC，有些是学习了FOC好几年，进步很慢。各种误区让大家陷入了瓶颈，久久走不出来。

通过这篇文章，把相关的一些经验整理出来，供大家参考，希望能帮助到各位少走弯路。

1、把SVPWM当成算法

很多初学者，或者从方波转FOC的工程师，老是咨询FOC是如何换向的？FOC的6个管子是怎么开关的？用到了什么算法？

SVPWM对于FOC是很重要的，具有较高的电压利用率，谐波小。但是SVPWM并不是一类算法，而是一种DC-AC逆变的手段，更归属于电力电子的范畴。

看FOC的整体框图：

FOC框图

SVPWM输入是alpha和beta轴电压，输出是三相PWM占空比。通俗的说，SVPWM可以当作一个理想电压源，控制逆变器实现对参考电压的输出。我的习惯，SVPWM就当作一个黑盒子，按照电流环的输出作为输入指令，输出PWM比较值。

基本上市面上的产品以七段式SVPWM为主，除了过调制那部分，其他部分基本是一致的。所以SVPWM并不是FOC最核心的东西，主要精力或者重点应该放在观测器和环路上。

至于换向，因为SVPWM的上下桥是加入死区后互补式的开关逻辑，并不像方波控制，可能出现长时间上下桥都不开的情况，所以FOC并没有换向这个说法，就是逆变器开关管导通或者续流二极管续流，这样子电流是连续的。

2、把PI当成算法

很多新手习惯把PI当成算法。

严格的来说，PI调节器是个滤波器或者按照《自动控制原理》的理论，是一个校正环节。比如，以电流环为例：

从上图可以看出，PI调节器串联在电流环的回路里，通过合理的配置参数，实现对传递函数的降阶，最后电流环等效成了一个低通滤波器。

总体来说,PI更多是带宽的整定，算不上多么高深的算法，主要精力还是放在位置估算之类的观测器上。

3、不重视MATLAB

很多工作很多年的工程师很反感使用MATLAB，觉得自己电机转的挺好的，写写代码调调参数电机就转起来了。当然搞了十几年还是只会个SMO+PLL。

在开发新的方法，或者环路分析对比，参数敏感性分析，MTPA分析，Simulink是非常好用的方法。

结合我个人的经历来看，如果不坚持使用MATLAB，那么绝对会陷入到调参数的瓶颈中，很难进步。

4、纠结于代码和资料

很多人一上来就问，有没有代码卖？有没有资料卖？

其实电机控制的核心真的不是代码，代码只能辅助你入门。要提高，关键是得掌握FOC开发的一套流程或者方法，补充理论基础，做仿真，做实验。买来的代码如果基本功不够，根本领会不到代码的核心思想，关键问题还是要打好基本功。

现在浮躁的风气很严重，要么想着转互联网拿高薪，要么想拿到代码快速把电机转起来。

假设能买到不错的代码，把项目做成了。现在技术都是不断革新的，下一代产品如何开发呢？存在的问题如何优化升级呢？就靠无脑调参数吗？

这个东西就跟郭靖练降龙十八掌一样，如果他没跟江南七怪傻乎乎练了十几年的基本功，只怕早就走火入魔了。学技术跟学功夫一样，要走正路，坚持科学的方法打好基础。走邪路求快只会走火入魔。

资料也一样，其实我学习用的资料不多，就是四本基础教材。《电机学》，《电力拖动自动控制系统》，《自动控制原理》，《电力电子技术》。在看书的基础上，再看一些IEEE文献和知网文章。这些东西都是开源的，但是很多人想着买点资料一步登天。

很多网上的资料，编写者都是站在自己的角度总结的，你没有经历当时项目的具体问题，是很难体会到资料总结的精髓。这个就跟练功一样，洪七公说过，贪多嚼不烂。杨过练了一大把神功，但是每样都不精。直到自己苦练18年原创出了黯然销魂掌才真正步入顶尖高手的行列。

不用贪图网上的资料，打好基本功，自己用心去做几个项目用心总结，付出时间和汗水获得的东西才是别人拿不走，复制不了的。

5、把电机当成RL

有的工程师分析电机低速性能，比如低速用高频注入，有人说高频注入会影响电流上升速度。我说不会影响。因为在电压足够用情况下，低速下电流上升的速度取决于电流环的带宽，带宽高，电流上升快。

但是这名工程师振振有词，说低速下，高频注入占用了一部分电压，然后定子电阻的压降在同样电流下相同，这样子用了高频注入导致电感上的电压小了，电压除以电感变小了，导致电流上升率就小了。。。。

当时我看了这个回答真的是内流满面。。。。完全是按照方波的思路在分析？完完全全把电机当成RL负载啊。

就以这个问题为例，我来解读如下：

5.1，电机除了RL最重要的就是反电势，在高速或者动态下，反电势的占比是很大的。在分析动态情况下，千万不能忽略反电势的影响。电机绝对不是RL啊，没有反电势那磁场干什么用？磁场不起作用哪来的转矩啊？这是基本的电机模型都没弄明白。。。要加强基础啊！

5.2，即使电压除以电感导致电流上升率低了，就一定导致电流上升慢？电流除了幅值就没有相位吗？转矩是q轴电流产生，你能保证就恰好导致q轴电流上升慢，而不是d轴？电压和电流就没有相位，上来除了就是能产生结论？

5.3，电机是个非线性的模型，尤其在FOC控制里，电流，速度，转矩，这些控制量都是用环路来实现的。那么分析这些对象要有环路的概念，环路决定了上升速度，过冲，稳态误差等等各种关键指标。这些东西不都是《自动控制原理》上的白纸黑字吗？加强基础啊。

5.4，这个问题用simulink仿真对比一下不就知道了吗？就是不愿意用。。。

6、以为滑模或者龙伯格就是万能的

很多初学者做低压电机控制出身，看一些芯片公司的文档入门。这个行业用的最多的就是滑模或者龙伯格，然后就觉得这个方法是万能的，是无敌的。。。

SMO框图

PMSM/BLDC的无感FOC方法，总体有三大类：

分别是基于凸极性的高频注入，基于磁链的模型，基于反电势的模型。其中滑模或者龙伯格仅仅只是基于反电势模型里的两种方法，而且这两种方法缺陷也很明显。低速没有带载能力，这是基于反电势模型的通病。

就算是基于反电势模型的方法，还有基于不同坐标系的拓展反电势或者其他衍生的方法。

思路要开阔一些，除了滑模还有很多种方法，尤其是不同于工况或者需求要进行调整。

而且龙伯格不适合无感FOC，其最优应用场景是电动汽车或者伺服，在知道角度的前提下进行速度估算，这样子其速度是没有相位滞后的，很适合高性能场合，鲁棒性好。

7、不重视理论基础

除了以上问题，还有一点就是不愿意看书，不愿意夯实理论基础。

比如，很多人对带宽不了解，对Z变换不愿意学习，这是《自动控制原理》上的基础。

调速范围不了解，很多工作十几年的工程师都不知道什么是调速范围。调速比是最能反应高低速带载极限的，比如24V/50Hz的电机1Hz带满载，和24V/500Hz的电机实现1Hz带满载，这难度能一样吗

很多人就问，最低几Hz带满载？上述两个电机都是1Hz带满载的话，他们的低速带载极限是一样的吗？

我的建议就是踏踏实实，花个一年时间好好打牢基础，再去考虑其他的事情。建摩天大楼的前几年都是在地下默默努力，打好了地基几天就是一楼层啊。

8、不重视采样触发点和PWM生效机制

这一点是很多工程师容易忽视的，PWM计数器一般是up-down模式。

PWM采样点配置

在三角波的顶点还是底点采样？采样值在什么时候更新？

中断在什么时候计算结束？PWM比较值在什么时候更新？

双电阻和单电阻，在采样配置，PWM比较值生效有什么区别？

在高开关频率下，不同的PWM比较值生效机制，对角度估算有什么影响？

以上问题，因为离散采样和计算造成对实际的估算结果有些影响，并不是算法层面造成的，属于硬件级的问题。如果不考虑清楚，在高速电机或者单电阻采样上会有问题，或者增大估算误差。

最后的话

以上就是我总结的一些FOC学习的误区，欢迎大家留言补充。

审核编辑 黄宇