Odrive FOC 算法分析 (foc.cpp)

Odrive FOC 算法分析 (foc.cpp)

📚 文件概述

foc.cpp 文件实现了 Odrive 电机控制中的 Field-Oriented Control (FOC) 算法。FOC 算法用于电机的高效转矩控制，特别是在永磁同步电机（PMSM）和无刷直流电机（BLDC）中。该文件包含了电流环的核心逻辑，包括电流采样、坐标变换、PI 控制和 PWM 信号生成。

📚 核心类与方法

1. AlphaBetaFrameController 类

• ‌功能‌：处理电机电流的 Clarke 变换，将三相电流转换为静止坐标系下的 α-β 电流。
• ‌主要方法‌：
  • on_measurement(vbus_voltage, currents, input_timestamp)：接收电流测量值，执行 Clarke 变换。
  • get_output(output_timestamp, pwm_timings, ibus)：生成 PWM 信号，用于电机控制。

2. FieldOrientedController 类

• ‌功能‌：实现 FOC 算法的核心逻辑，包括 Park 变换、PI 控制、逆 Park 变换和 PWM 信号生成。
• ‌主要方法‌：
  • reset()：重置电流控制积分器和测量值。
  • on_measurement(vbus_voltage, Ialpha_beta, input_timestamp)：存储电压和电流测量值，供后续处理。
  • get_alpha_beta_output(output_timestamp, mod_alpha_beta, ibus)：计算并返回 α-β 坐标系下的电压指令，用于生成 PWM 信号。
  • update(timestamp)：更新控制器的状态和参数。

📚 关键逻辑

1. Clarke 变换

将三相电流（Ia, Ib, Ic）转换为 α-β 坐标系下的电流（Iα, Iβ）。变换公式如下：
$$I_{\alpha }=I_a$$
$$I_{\beta }=\frac{1}{\sqrt{3}}(I_b-I_c)$$

2. Park 变换

将 α-β 坐标系下的电流转换为 d-q 坐标系下的电流（Id, Iq）。变换公式考虑了电机转子的实时位置（θ）和速度（ω）：
$$I_d=I_{\alpha }\cos (\theta )+I_{\beta }\sin (\theta )$$
$$I_q=-I_{\alpha }\sin (\theta )+I_{\beta }\cos (\theta )$$

3. PI 控制

在 d-q 坐标系下，分别对 Id 和 Iq 应用 PI 控制器，以调节电机的磁场和转矩输出。PI 控制器的输出用于计算电压指令 Vd 和 Vq。

4. 逆 Park 变换

将 d-q 坐标系下的电压指令转换回 α-β 坐标系，以便生成 PWM 信号：
$$V_{\alpha }=V_d\cos (\theta )-V_q\sin (\theta )$$
$$V_{\beta }=V_d\sin (\theta )+V_q\cos (\theta )$$

5. PWM 信号生成

基于 α-β 坐标系下的电压指令，使用 Space Vector PWM (SVPWM) 算法生成三相 PWM 信号，控制逆变器以驱动电机。

📚 总结

foc.cpp 文件通过实现 FOC 算法，为 Odrive 提供了高性能的电机电流控制解决方案。通过 Clarke 变换、Park 变换、PI 控制和逆 Park 变换，该算法能够精确控制电机的磁场和转矩输出，实现高效、稳定的电机运行。