为什么说学习电机精准控制要上FOC，答案真相了

FOC（Field-Oriented Control），即磁场定向控制，也称矢量变频，是目前无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）高效控制的最佳选择。FOC精确地控制磁场大小与方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。由于FOC的优势明显，目前已在很多应用上逐步替代传统的控制方式，在运动控制行业中备受瞩目。

FOC电机控制原理 

电机控制的结构框图如图1所示。一个电机系统包括四个大部分：被控对象、控制器、执行器、反馈，硬件上分别对应电机、MCU、驱动电路、信号调理电路，这样就构成了一套反馈控制系统。

图1：电机控制结构框图

一套电机系统的完成主要包括以下两个方面：硬件电路的搭建以及控制算法的实现。硬件电路组成，如下图所示，一套电机系统硬件主要包括：MCU、功率器件（MOSFET/IGBT）、驱动电路、信号调理电路、保护电路。控制理论的组成如图3所示，主要是电机理论与控制算法，其中电机理论的学习让我们知道控制对象的外特性，而控制算法主要实现怎么控制好电机这个被控对象。

图2：硬件电路组成

图3：控制理论组成

FOC是如何实现精准控制的？

近年来，随着无刷直流电机（BLDC）大规模研发和技术的逐渐成熟，驱动系统也在不断的日益完善，在现实中的应用也是越来越多。不仅包括了工控电机、医疗设备，家用电器等领域，同样的，永磁同步电机被越来越多的厂商所关注，譬如在轴流风机、空调风机、汽车动力驱动及转向等，都能找到它们的身影。

做控制的人都知道，任何的电机控制，无非有以下三种不同的控制目标：

位置控制：想让电机转多少度它就转多少度；

速度控制：想让电机转多快它就转多快；

力矩控制：想让电机出多少力它就出多少力；

无论作为哪种控制目标，都无非是一个闭环，还是两个、三个闭环的区别。以永磁同步电机作为例子。目前，永磁电机常用的电机控制方式有三种：PWM控制（方波控制），SPWM控制（电压正弦控制），以及FOC控制（磁定向矢量控制）。PWM控制电流大、控制精度差、噪声也很大，SPWM控制采用电压正弦式控制，虽然噪声稍小，但控制精度一般，对成本也比较敏感，在同样变负载、动态响应要求高的应用，效果不好。

那么，FOC控制如何呢？

1. 当负载变化时，速度响应快速而精确；
2. 马达的瞬时效率得到优化；
3. 通过瞬时力矩控制能实现位置控制；

FOC磁定向控制，采用正弦波的控制方式，启动比较平稳，不仅解决了方波控制带来的噪声问题，而且它的控制方式是按照某种设定的关系分配的。通过将电机定子电流分解为励磁电流和转矩电流，从而能够在很大程度上提高电机速度控制的精准度。

同样的，相比方波控制、电压正弦控制，FOC矢量控制的控制精度，相比前面的两者高出20倍以上，同时它的噪声最小、控制多样化、算法也最为复杂，适用于更多性能要求高的场合。FOC能精准控制磁场大小和方向，使电机转矩平稳、效率高，并且能够高速动态响应。通过对电流大小的精准控制，能够实现电机转速5%~100%无级可调。

永磁同步电机，相比交流感应电机、变频电机等，因为以电子换向器取代了机械换向器，所以需要使用到驱动器的驱动电路。而永磁电机的换向电路，由驱动及控制两部分组成，是密不可分的。

但是这个简单的驱动，只能保证永磁同步电机基本的转动功能。要想实现下面这些功能，譬如说：PWM调速、FG信号输出、模拟信号调速、外接电位器调速、开闭环控制等其他功能，也就使用更加复杂的电路来实现。FOC控制作为一种新兴的电机技术，能够很好地将以上诸多的电机功能，轻松集成到控制器实现。

FOC控制学什么？

所谓知己知彼，想要掌握一门技术学习，或者说求职应聘成功，很大程度上要了解需求方（企业主）对自己能力程度要求。以下是编者前一段时间，在某专业解答网上看到的某知名企业对FOC电机工程师职能要求，具体如下图所示：

可以看出，招聘企业对FOC控制的掌握程度，要求还是蛮高的。学习电机控制，你不仅需要掌握电机控制理论（电机最基本的，新手入门必备知识），考量你是否能承担工作职责的条件，核心能力还会看你是否掌握了电机三环（位置/速度/电流环）的精准控制，独立完成FOC系统控制算法开发，驱动器软件及系统框架设计。熟练掌握并运用FOC核心算法，完成驱动控制器电路设计，更是考量一名硬件工程师是否合格，电子初学者从初级到进阶学习过程的重中之重。

那么，FOC算法工程师，具体的职业待遇如何呢？我们来看一张某知名招聘网，对电机算法工程师开出的平均月薪：

从图片可以看出，掌握电机核心控制算法的工程师，普遍平均月薪起点2万起，并且伴随着求职者的相关工作经历，项目经验、以及工作资历的提升，薪资待遇水平也是水涨船高。

虽然 FOC技术优势明显，但 FOC的技术门槛也相当的高，不论在理论上还是在实践调试中都有相当的难度，所以在驱动行业能够把 FOC控制技搞透的工程师非常少。

FOC技术对于电机工程师来说非常重要，但在学习的道路上却是困难重重。所以说，在学习硬件电机的过程中，你可能会遇到以下很多的学习难点，像下面描述到的诸多疑问，比如学习能力、知识理解及技术问题等有关方面：

1.上网看找相关的FOC资料，却发现资料很少，为什么？学习的门槛越是高，相关的技术资料也越少；

2.市面上很多的驱动电路，大多数采用电机芯片模块（比如MCU/DSP/FPGA）驱动，想自己独立设计驱动电路，重新设计代码，却找不到具体学习案例；

3.学习的很多电机控制，都是基于小功率设计，想学习大功率电机的具体设计；

4.遇到过很多资料，不是技术介绍不全，就是缺少实际的原理图、PCB设计指导，学习不够系统完整，总是浅尝辄止；

5.电机基础理论，基本职业素质要求掌握，但是缺乏核心项目能力，也没有老师系统带入门，想学习没人教；

等等，诸如此类.....

不过，从今天开始有一个工程师的学习福利，要带给你们！张飞电子实战营《60天精通 FOC空间矢量控制技术》第2期，8月25日（下周二）即将要正式开课了！（预定30个名额，现在仅剩13个，想报名的童鞋要抓紧了！）

本期FOC课程不仅帮助你系统梳理电机软硬件理论基础，从基本元器件开始，到单元电路，再到系统实战项目，从电机硬件设计逐步深入到FOC软件核心算法，手把手带你轻松驾驭各种类型的FOC电机驱动设计。

课程授课形式

全新的授课方式：全新视频课程+每晚固定时间答疑+案例分析+作业，根据需要做1-3场直播答疑；

升级视频讲课方式：采用提前备课加极精简视频讲解方式辅助形象比喻让大家听的懂学得会；

知识点丰富，覆盖广：包含了几百多个知识点，每个点讲透，覆盖面既广更深。市面大多数工程师的做法只是简单调库和软件的小修小补，而我们却把所有的核心算法讲透讲明白，基本可以满足绝大多数设计需求；

课程内容从基本器件开始：到单元电路学习，再到系统实战项目练习，手把手教会大家一步一步成为研发大牛；

软件部分把算法设计讲透：波形呈现，老师手把手带，让大家更加轻松自如的驾驭FOC技术。

FOC课程亮点

一. 如何做好FOC的那些坑

如何做好工程师忽略的10个细节，使得正弦波形正规、控制做好的详细讲解

二. 电机篇

电机空间矢量控制原理的讲解

三. 硬件篇

1.硬件原理图的详细讲解

2.各芯片 DataSheet的详细讲解

3.各单元电路设计的详细讲解

4.各单元电路设计的波形分析的详细讲解

5.PCB板子 Layout的详细讲解

四. 软件篇

1.基础篇

1>熟练使用单片机的各项操作

2>单片机内部各个模块熟练才做的详细讲解

3>主控芯片采用DSPIC33EP256MC506-I/MR微芯公司

2.FOC控制算法

1>FOC无位置启动及运转的详细讲解

2>FOC算法数学公式推导的详细讲解

3>FOC算法数学公式到代码实现的详细讲解

4>FOC正弦表制表查表的详细讲解

5>FOC clark和 park变换库代码的详细讲解（汇编）

6>FOC clark 和park反变换库代码的详细讲解（汇编）

7>FOC 滑模算法的公式推导及代码实现的详细讲解

8>FOC各个PID的详细讲解

9>FOC采样时刻点的详细讲解

10>FOC单电阻和双电阻电流采样法分别适合什么电机的详细讲解

11>每行代码动手编写（库函数除外，库函数做详细讲解分析，可以自行去尝试编写）手把手教会大家FOC编程

五. 调试篇

1.每个代码模块进行调试

2.配套开发板边调试，边测试、分析波形

3.测试马达相电流，进行调试

课程大纲

项目及实物图片展示

FOC开发板的展示，原理图，pcb，实物、代码（我们的代码每一个模块都有注释）

原理图

pcb图

实物图

SVPWM算法推导

滑模观测结构图

滑模观测器理论推导

坐标变换推导

SVPWM算法函数

滑模观测器算法函数

FOC相关波形图

三相定子电压波形

Ealpha、Ebeta与位置角

PWM生成的马鞍波

PWM生成的马鞍波

Ua、Ub、Uc经CLARKE变化为Ualpha、Ubeta

定子电流矢量角与转子位置角

电机开环启动电流

电机开环切闭环过程

电机闭环电流波形（空载）

授课讲师团队

 徐老师：

张飞实战电子总工程师，20年单片机软硬件设计和项目开发经验，精航空、家电、工业、汽车等电子领域，专注电机驱动器创新型研发10余年，在单片机产品软件设计与硬件设计方面都拥有丰富的经验，曾任某知名外资企业高级工程师、专家、经理和总工程师职务。

黄忠老师：

软硬件工程师，从事单片机及电机驱动系统研发，目前在张飞实战电子担任项目研发经理，希望通过视频与大家一起学习单片机、研究电机控制。本次FOC课程主讲硬件原理图及PCB、方波有感电机控制、SVPWM电机控制。

赵云老师：

电机控制工程师，从事过方波及正弦波电机控制，目前在张飞实战电子的主要方向为电机控制算法的研究，希望将更多的电机控制知识跟大家一起分享。本次FOC课程主讲单片机基础部分、SPWM有感电机控制、FOC电机控制。

如何报名60天精通FOC实战训练营？

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若对FOC课程有疑问或者咨询服务，可联系学院助教。

助教老师马里奥

助教老师甜甜

【文章彩蛋】

每天日子慌张过

琐碎不堪压的我们喘不过气

生活需不时加点甜味

别让寡淡无味成为主旋律

更不要辜负自己的青春和容颜

还有三天“七夕”节就要到了哦！

希望大家都可以感受属于自己的浪漫

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最后，附上一张节日美食图