FOC
Jak działa
Pętla FOC wykonuje w każdym cyklu (zwykle kilka–kilkadziesiąt kHz) następujące kroki: 1) pomiar prądów fazowych stojana (wystarczą dwie z trzech faz); 2) transformacja Clarke'a — zamiana prądów (a, b, c) na dwuosiowy układ nieruchomy (α, β); 3) odczyt kąta wirnika θ z enkodera/resolwera/czujników Halla lub z estymatora bezczujnikowego; 4) transformacja Parka — obrót (α, β) do wirującego z wirnikiem układu (d, q), w którym wielkości stają się quasi-stałe; 5) dwa regulatory PI porównują zmierzone prądy id oraz iq z wartościami zadanymi i wyznaczają napięcia ud, uq; 6) odwrotna transformacja Parka (d, q → α, β) i modulacja wektorowa SVPWM (lub PWM) wyznaczają stany tranzystorów falownika. Składowa d zwykle jest utrzymywana w zerze poniżej prędkości bazowej (dla PMSM), a ujemna w trybie osłabiania pola; składowa q steruje momentem. Istnieją dwa warianty: bezpośredni (DFOC, ze sprzężeniem) i pośredni (IFOC, z wyprzedzeniem), przy czym IFOC jest częściej stosowany w pełnym zakresie prędkości.
Rozwiązany problem
Proste sterowanie skalarne (U/f) silników AC daje słaby moment przy niskich i zerowych prędkościach oraz wolną, oscylacyjną odpowiedź dynamiczną. Szczotkowe silniki DC łatwo sterować, ale zużywają się mechanicznie i wymagają konserwacji. FOC rozwiązuje ten konflikt: pozwala bezszczotkowym silnikom AC osiągnąć dynamikę i precyzję sterowania silnika DC, zachowując niezawodność i gęstość mocy napędu bezszczotkowego.
Komponenty
Rzutuje trójfazowe prądy stojana (a, b, c) na dwuosiowy, nieruchomy układ (α, β), redukując trzy sygnały do dwóch ortogonalnych.
Obraca wielkości z układu (α, β) do wirującego z wirnikiem układu (d, q) na podstawie kąta θ, zamieniając sygnały przemienne na quasi-stałe — co umożliwia sterowanie prostymi regulatorami PI.
Dwa niezależne regulatory PI utrzymują zmierzone prądy id (strumień) oraz iq (moment) na wartościach zadanych, generując napięcia ud, uq.
Przekształca zadane napięcia (d, q) z powrotem do układu trójfazowego i wyznacza stany przełączania tranzystorów falownika metodą modulacji wektorowej (SVPWM).
Dostarcza kąt wirnika θ wymagany przez transformację Parka — z enkodera, resolwera lub czujników Halla, albo z estymatora bezczujnikowego liczącego θ z prądów i napięć.
Oficjalna
Implementacja
Nieprawidłowy offset enkodera lub błąd pomiaru kąta θ rozstraja układ (d, q), psując rozprzężenie strumienia i momentu oraz obniżając sprawność.
Dokładność momentu zależy od parametrów (Rs, Ld, Lq, stała rotorowa), które dryfują z temperaturą i nasyceniem magnetycznym.
Błędne okno próbkowania prądu względem PWM oraz czas martwy tranzystorów wprowadzają zniekształcenia i tętnienia momentu.
Ewolucja
K. Hasse z Politechniki w Darmstadcie formułuje koncepcję pośredniego sterowania polowo-zorientowanego silnikami indukcyjnymi.
Felix Blaschke z Siemensa publikuje zasadę orientacji polowej i sterowanie bezpośrednie (DFOC), dając metodzie formalne podstawy przemysłowe.
Werner Leonhard (Politechnika w Brunszwiku) systematyzuje teorię napędów polowo-zorientowanych; tanie mikroprocesory i DSP umożliwiają praktyczne wdrożenia.
Tanie MCU oraz projekty open-source (np. ODrive, SimpleFOC) upowszechniają FOC w serwonapędach i aktuatorach robotów, w tym humanoidalnych.
Hiperparametry (konfigurowalne osie)
Wzmocnienia pętli prądu decydują o paśmie przenoszenia i stabilności regulacji momentu.
Wyższa częstotliwość daje gładszy prąd i cichszą pracę kosztem strat przełączania falownika.
Jak często wykonywany jest cały cykl FOC; ogranicza osiągalną dynamikę momentu.
Strategia zadawania prądu osi d: zero poniżej prędkości bazowej, ujemny przy osłabianiu pola, lub MTPA dla maksymalnego momentu na amper.
Wymagania sprzętowe
FPGA pozwala wykonywać transformacje Clarke'a/Parka i pętle prądu z bardzo niskim, deterministycznym opóźnieniem przy wysokich częstotliwościach przełączania.