Robocikowo>ROBOCIKOWO
Robotyka

FOC

AktywnyOpublikowano: 21 października 2026Aktualizacja: 21 października 2026Opublikowany
Field Oriented Control (FOC), nazywane też sterowaniem wektorowym lub polowo-zorientowanym, to metoda sterowania trójfazowymi silnikami AC (PMSM, BLDC, indukcyjnymi), w której prąd stojana rozkłada się na składową strumienia (d) i składową momentu (q) i reguluje niezależnie w wirującym układzie odniesienia.
Kluczowa innowacja
Rozkłada prąd stojana silnika AC na dwie prostopadłe składowe — strumienia (oś d) i momentu (oś q) — dzięki czemu silnik zmiennoprądowy można sterować tak precyzyjnie i dynamicznie jak obcowzbudny silnik prądu stałego.
Kategoria
Robotyka
Poziom abstrakcji
Wzorzec
Poziom operacji
Sterowanie robotem
Zastosowania
Serwonapędy i aktuatory stawów robotów humanoidalnychNapędy kół i sterowanie trakcją robotów mobilnychRegulatory ESC silników bezszczotkowych w dronachTrakcja pojazdów elektrycznych (EV)Przemysłowe serwonapędy i wrzeciona CNCNapędy e-bike i hulajnóg elektrycznych

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

Transformacja Clarke'aZamiana współrzędnych

Rzutuje trójfazowe prądy stojana (a, b, c) na dwuosiowy, nieruchomy układ (α, β), redukując trzy sygnały do dwóch ortogonalnych.

Transformacja ParkaPrzejście do układu wirnika

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.

Regulatory PI prądu (d, q)Pętla regulacji prądu

Dwa niezależne regulatory PI utrzymują zmierzone prądy id (strumień) oraz iq (moment) na wartościach zadanych, generując napięcia ud, uq.

Odwrotna transformacja Parka i modulator SVPWM / falownikModulacja i moc wyjściowa

Przekształca zadane napięcia (d, q) z powrotem do układu trójfazowego i wyznacza stany przełączania tranzystorów falownika metodą modulacji wektorowej (SVPWM).

Sprzężenie położenia i prędkości wirnikaPomiar kąta

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

Pułapki implementacyjne
Błąd kalibracji kąta wirnikaWysoka

Nieprawidłowy offset enkodera lub błąd pomiaru kąta θ rozstraja układ (d, q), psując rozprzężenie strumienia i momentu oraz obniżając sprawność.

Rozwiązanie:Przeprowadzić procedurę kalibracji offsetu enkodera przy starcie i weryfikować wyrównanie pod obciążeniem.
Zależność od parametrów silnikaŚrednia

Dokładność momentu zależy od parametrów (Rs, Ld, Lq, stała rotorowa), które dryfują z temperaturą i nasyceniem magnetycznym.

Rozwiązanie:Zastosować estymację/adaptację parametrów online lub kompensację temperaturową.
Synchronizacja próbkowania prądu i czasu martwegoŚrednia

Błędne okno próbkowania prądu względem PWM oraz czas martwy tranzystorów wprowadzają zniekształcenia i tętnienia momentu.

Rozwiązanie:Próbkować prąd w środku wektora zerowego PWM i stosować kompensację czasu martwego.

Ewolucja

Oryginalny paper · 1972 · Siemens-Zeitschrift · Felix Blaschke
Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage für die TRANSVEKTOR-Regelung von Drehfeldmaschinen
Felix Blaschke
1968
Hasse proponuje sterowanie pośrednie (IFOC)
Punkt przełomowy

K. Hasse z Politechniki w Darmstadcie formułuje koncepcję pośredniego sterowania polowo-zorientowanego silnikami indukcyjnymi.

1972
Blaschke: sterowanie bezpośrednie i TRANSVEKTOR (Siemens)
Punkt przełomowy

Felix Blaschke z Siemensa publikuje zasadę orientacji polowej i sterowanie bezpośrednie (DFOC), dając metodzie formalne podstawy przemysłowe.

1985
Systematyzacja i wdrożenia mikroprocesorowe

Werner Leonhard (Politechnika w Brunszwiku) systematyzuje teorię napędów polowo-zorientowanych; tanie mikroprocesory i DSP umożliwiają praktyczne wdrożenia.

2015
FOC w robotyce i projekty open-source

Tanie MCU oraz projekty open-source (np. ODrive, SimpleFOC) upowszechniają FOC w serwonapędach i aktuatorach robotów, w tym humanoidalnych.

Hiperparametry (konfigurowalne osie)

Nastawy regulatorów PI prądu (Kp, Ki)Wysoka

Wzmocnienia pętli prądu decydują o paśmie przenoszenia i stabilności regulacji momentu.

Częstotliwość przełączania PWMWysoka

Wyższa częstotliwość daje gładszy prąd i cichszą pracę kosztem strat przełączania falownika.

Częstotliwość pętli sterowania prąduWysoka

Jak często wykonywany jest cały cykl FOC; ogranicza osiągalną dynamikę momentu.

Zadana składowa d (osłabianie pola / MTPA)Średnia

Strategia zadawania prądu osi d: zero poniżej prędkości bazowej, ujemny przy osłabianiu pola, lub MTPA dla maksymalnego momentu na amper.

Wymagania sprzętowe

Dobry fit

FPGA pozwala wykonywać transformacje Clarke'a/Parka i pętle prądu z bardzo niskim, deterministycznym opóźnieniem przy wysokich częstotliwościach przełączania.