新手必看：PMSM的FOC 矢量控制算法调试流程

今天讲一下永磁电机FOC矢量控制具体操作流程，先放一张矢量控制框图：

一、FOC矢量控制电路框图

验证三相逆变模块的正确输出。不接电机，使用高级定时器输出6路互补PWM，改变占空比，测量三相逆变模块的U、V、W对地波形的占空比是否正常。

二、测试相电流采样电路的功能

1、不接电机，连续采样相电流，此时采样值为相电流为0时的值，此时值应该比较稳定，变化不大，如果变化比较大，说明有问题。

2、接上电机，给U相设置占空比为5%，V、W占空比为0，此时可以用万用表测量取样电阻上的电压值，应该已经有值。再用adc采样相电流，计算相电流采样极性和大小是否正常。根据正电压产生正电流的电动机原则，U相电流应该是正的，V、W两相电流应该是负的，且V、W两相电流应基本相同。若正负号不对，需要进行调整。

三、测试变换程序的正确性

矢量控制的核心其实就在Clark与Park变换上，通过这两个变换实现了直轴与交轴的解耦。如果使用的是官方的库，可以不管本步骤。如果是自己写的，需要通过仿真测试等手段，确保程序的正确性。

四、调试SVPWM模块

通过SVPWM模块可以把FOC的控制结果转换为定时器6个通道的占空比，从而驱动三相逆变模块控制定子绕组产生旋转磁场，拖动转子旋转。为了验证SVPWM模块的功能，需要使用上图中的6、7即反park变换和SVPWM模块，产生开环的旋转磁场。

1、把FOC其他部分注释掉，只保留反park变换和svpwm函数。

2、反park变换的输入参数有3个：Vq、Vd、Angle，将Vq=0，Vd设置为一个较小的值，Angle=0，然后接电机上电，此时svpwm会有输出，电机有力，转子被锁定在当前电角度位置。如果没有力，说明Vd值太小了。同时可以查看CH1、CH2、CH3的波形和svpwm的标准波形做对比。比如，处于svpwm的扇区1，那么CH1、CH2、CH3上的波形关系如下：

你可以在仿真模式下，把CH1、CH2、CH3通道的比较值加入watch窗口，然后手动改变Vd的值。改变Vd的值，3个通道的比较值也会跟着改变。

3、将Angle由0开始，每次增加30°左右，此时电机会跟着旋转，且每次旋转的角度应该是相同的，记录下这个旋转方向，这就是此系统固有的正方向。此时还可以验证电机的极对数，若Angle重复增加N个周期后电机回到起始点（可用记号笔进行标注），电机的极对数即为N。

五、整定d轴、q轴PID参数

1、把电流采样模块、clark变换、park变换、PID控制器加入。

2、此时系统的输入参数有3个：PID控制器的参考量IQREF、IDREF和Angle。设置Angle=0，IQREF=0，IDREF设置为一个较小值（可以与上面的Vd一样）。

3、d轴和q轴都有PID控制器，将两个PID的参数都设置为0。之后保持q轴的PID为0，然后整定d轴的参数（整定的过程中，可以给电机上电观察效果，目的是使电流采样值经过clark、park变换后的Iq、Id值接近于IQREF、IDREF）。d轴整定完后，把q轴的PID参数设置为相同即可。

六、使用编码器输出角度替代Angle值

改变Angle值，电机旋转起来。旋转状态的Iq、Id值与停止状态一样仍然是接近于IQREF、IDREF的。在程序让Angle自加，使用j-scope观察4个变量的变化：Angle值、编码器返回的角度值、A相电流采样值、B相电流采样值。

Angle值、编码器返回的角度值的波形如左边的两个图。两个波形应该都是幅值相同的三角波，如果编码器值的变化方向与Angle不同，那么编码器的输出角度值需要反向。他们两者的波形并不重合，在水平轴上存在偏差值。而这步的目的就是要让他们重合，这样就能用编码器输出值替代Angle值了。

因为Angle值代表的是转子的真实电角度。因此要把编码器输出角度矫正为Angle值。如果是绝对式编码器，就要把编码器返回的角度值减去偏差，使之与Angle值的波形重合。如果是相对式编码器，就需要当电机启动阶段给定一个Angle值进行预定位时，把编码器的输出角度矫正为Angle值。

右边的两个图是相电流的采样值。调试PI控制器参数时也可参考相电流曲线，若曲线发生畸变，不是图中那样的正弦波形，需要降低比例及积分作用。

修改程序，使用编码器的输出角度值替代Angle值。绝对式编码器并不需要特殊的启动过程，因为矫正过后，一上电编码器的输出角度就是与转子的电角度是重合的。使用相对式编码器，在上电时，并不知道转子的位置，因为需要先设定Angle、IqRef为0，IdRef设置为合适值，此时电机转子会自动旋转到零点位置处，然后再把编码器的输出角度值矫正为0，完成编码器值与转子电角度的重合。

七、验证电流闭环

下面依次验证d轴与q轴。因为d轴用于影响转子的磁场，并不产生扭矩（d轴与转子磁场方向在一条直线上，d轴的作用是把转子固定在当前角度，不让转子动）。作用效果如下：

q轴产生的磁场方向垂直于转子磁场方向，于是产生扭矩，吸引着转子旋转。

我们先来验证d轴，将IqRef设置为0，IdRef设置为一个合适的正值，此时电机是不会旋转的，用手转动电机也是可以转动的，只是不同于自由转动状态，此时旋转电机时会感到阻力较大，有一个力始终在维持电机处于当前位置。

验证q轴时同理将IdRef设置为0，IqRef设置为一个合适的值即可。需要注意的是，因为启动电流明显大于稳态电流，如果IqRef的值设置得过小，电机无法旋转起来，而增大IqRef，使电机可以旋转起来后，电机会一直加速到最高转速。为保证安全，需要对输出电压占空比进行限幅。

将IqRef设置为正值时电机应该正转，设置为负值时电机应该反转，且正反转速应该是相同的。此时还可以进一步观察转速采样结果，如果和实际情况符合的话就可以进行下一步了。

八、调试速度闭环

需要先验证转速测量的程序是否正常。然后就可以在电流环的外层添加速度环了。

对于PMSM而言，除了在弱磁控制等情况下，IdRef一般是固定为0的。不过对于异步电机而言，因为要产生绕组电流，IdRef并不是零。IqRef连接至速度环PI控制器的输出上，一般会对IqRef的范围进行限幅，以保证电流在安全范围内。

速度环的PID参数整定就不细说了。

为了帮助大家能够更好地学习电机矢量控制，编者精选了80+份常见FOC直流无刷矢量控制方案，给大家系统理解与学习。

FOC矢量电机控制方案大全，资料截图如下所示：

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