没有专业术语！新手小白也能看懂的FOC科普

无刷电机 的 FOC 控制 是 我 一直 想 学习 的 一个 知识 利用 FOC 算法 你 可以 把 一个 无刷电机 的 转动 玩 出

各种 花样 来 它 在 机器人 控制 领域 也 有着 非常 广泛 的 应用 不过 因为 各种 原因 这个 学习

计划 被 耽搁 了 很 久 一直 没有 被 启动 正好 最近 笑容 家 找到 我 说 他们 最新 的 电动牙刷 中 也 使用 到 了

FOC 技术 所以 我 就 打算 让 他们 的 工程师 给 我 提供 技术支持 一 起来 做 一期 基础 的 FOC 科普 视频

FOC 的 硬件 部分 是 这 样子 一个 闭环 的 系统 控制器接收 来自 于 传感器 的 电流 和 角度 信号 然后 再 和 我们 发出 的

指令 放在 一起 计算 出 当前 电机 应该 达到 的 转速 位置 以及 扭矩 并 把 它们 转换 为 对应 的 电信号

控制 电机 按照 我们 的 要求 转动 这 里面 的 核心 就是 这个 运算 方式 也 就是 FOC 算法 为了

搞清楚 FOC 算法 到底 在 算 什么 我们 还要 先 从 这边 这颗 无刷电机 的 控制 原理 开始 说起 无刷电机 的

内部结构 示意图 是 这 样子 的 周围 有 三个 线圈 它们 和 外面 的 六颗 MOS 管 相连接 工作 的 时候 线圈 是

不动 的 所以 被 称为 定子 然后 中间 有 一块 可以 转动 的 磁铁 被 称为 转子 当 这 两颗 MOS 管 打开 时 电流

这 样子 流入 这 两个 线圈 并 产生 磁场 这 两个 磁场 叠加 之后 就 合成 了 这 样子 的 一个 磁场 磁铁 被 磁场

吸引 所以 开始 往 这个 方向 转动 当 角度 传感器 检测 到 磁铁 和 磁场 位置 重叠 时 控制器 就 关闭 这颗

MOS 管 打开 这颗 MOS 管 电流 就 这 样子 流入 这 两个 线圈 磁铁 就 被 吸附 到 这个 位置 然后 是 这 两个

MOS 管 打开 磁铁 就 到 这个 位置 只要 不停 的 控制 MOS 管 的 开关 电机 就 可以 转动 了 如果 你 想要 反

方向 的 转动 只要 把 刚才 的 开关 顺序 反过来 就 可以 了 为了 方便 后面 的 演示 接下去 我 就 把 线圈 简化 成

这个 样子 你 会 发现 在 刚才 的 控制 模式 下 任意 时刻 都 只有 两个 线圈 在 工作 另外 一组 线圈 它 是 在

摸鱼 这 样子 电机 的 工作效率 就 比较 低 产生 的 扭力 也 就 相对 比较 小 所以 在 这 两颗 MOS 管 打开 的 同时 我们 也

可以 把 这颗 MOS 管 一起 打开 这 样子 电流 就 这 样子 流入 了 这 三个 线圈 产生 了 这 样子 的 磁场 这 三个 磁场 又

会 合成 出 一个 比 刚才 更强 的 磁场 然后 MOS 管 不同 的 开关 组合 就 可以 合成 出 六个 不同 方向 的 磁场

通过 不停 的 切换 就 可以 带动 磁铁 转动 了 以上 就是 无刷电机 控制 的 基本原理 了 基础 的 无刷电机 控制

其实 就 只是 让 它 转动 起来 替换 掉 普通 的 有 刷 电机 像 航摩 电吹风 里面 的 无刷电机 控制器 都 是 这个 原理

但是 对于 一把 电动牙刷 来说 仅仅 是 让 无刷电机 转 起来 是 不能 满足 我们 的 需求 的 这 样子 它 就 成 了

一把 电动牙刷 打磨机 了 我们 需要 能够 更 精准 的 控制 电机 转动 所谓 的 精准 控制 就 包括 了 可以 让 电机 以

任意 的 速度 旋转 停留 在 任意 的 位置 以及 可以 任意 的 调节 它 的 扭矩 而 这些 就是 电机 FOC 算法 要

解决 的 问题 所以 FOC 算法 是 如何 做到 精准 的 控制 电机 转动 的 呢 第一步 我们 需要 能够

产生 任意 方向 的 磁场 刚才 我们 已经 利用 MOS 管 的 六种 不同 的 开关 状态 合成 出 了 六个

不同 方向 的 磁场 现在 我们 先 合成 出 这个 方向 的 磁场 保持 0.5 个 毫秒 然后 再 合成 出 这个 方向 的

磁场 也 保持 0.5 毫秒 循环 这个 过程 对应 的 磁铁 就 会 在 这 两个 角度 之间 来回 摆动 只要

磁场 切换 的 速度 足够 快 超过 了 磁场 反应 的 时间 磁铁 就 会 开始 摆烂 停 在 中间 不动 了 这 样子 就 等效 尾 我们

合成 出 了 一个 调整 两个 原始 磁场 在 一个 时间 周期 内 占据 的 时间 比例 我们 就 可以 在 这个 区间 内

合成 出 任意 方向 的 磁场 了 利用 同样 的 方法 切换 任意 相邻 的 磁场 我们 就 可以 合成 出 360 度 范围

内 任意 方向 的 磁场 了 当然 这 还 不够 我们 仅仅 是 产生 了 任意 方向 的 磁场 接下去 我们 要 控制 这个 磁场 的

强度 方法 也 很 简单 在 只有 上面 的 三个 MOS 管 或者 下面 的 三个 MOS 管 打开 时 线圈 中是 没有 电流 的

也 就 没有 了 磁场 这 就是 第七种 状态 磁场 为 0 的 状态 在 一个 时间 周期 内 插入 磁场 为 0 的 状态

调节 它 的 时间 占 比 我们 就 可以 任意 的 控制 磁场强度 了 到 这里 我们 就 完成 了 很 关键 的 一步 创造 出 一个

方向 和 强度 都 可控 的 磁场 接下去 我们 就 需要 利用 这个 磁场 来 控制 磁铁 转动 了 可能 你 的 第一 反应

就是 想要 让 磁铁 转到 哪 我们 就 产生 什么 方向 的 磁场 但 实际上 并 不是 这 样子 的 首先 我们 要 通过 角度

传感器 来 检测 当前 磁铁 的 位置 然后 产生 一个 永远 垂直于 磁铁 方向 的 磁场 这个 磁场 会 吸引

磁铁 靠近 它 但是 只要 磁铁 转过 来 一点点 磁场 也 要 跟着 转过 去 永远 让 它们 保持 垂直 就 像是 一头 驴

前面 挂 了 一个 胡萝卜 胡萝卜 永远 会 吸引 着 驴 往前走 但是 不管 驴 怎么 走 胡萝卜 和 它 的 距离 永远 不变

是因为 这样 产生 的 作用力 最大 效率 也 更 高 有 了 这个 思想 之后 我们 唯一 需要 或者说 我们

唯一 能够 调节 的 参数 其实 就 只有 磁场强度 了 通过 控制 磁场强度 我们 就 可以 任意 的 控制 无刷电机 的 位置

转速 以及 扭矩 了 比如说 你 想 让 它 转 的 快 一点 磁场强度 就 加强 一些 你 想 让 它 突然 间 停下来 那么 就

施加 一个 直为 负 的 磁场 也 就是 产生 一个 反推力 然后 在 磁铁 停下来 之后 呢 你 就 可以 让 磁场强度 变为 0

如果 此时 有 外接 扰动 让 磁铁 偏移 了 位置 那 你 就 可以 继续 产生 磁场 把 磁铁 拉回来 那 这 就是

FOC 控制 的 基础 所有 的 应用 都 是 基于 产生 一个 永远 垂直于 磁铁 方向 的 磁场 并且 控制 它 的

磁场强度 展开 的 其实 这 也 是 FOC 这个 词 的 意思 磁场 定向 控制技术 好 那到 这里 FOC 控制 的 基础 科普 就

结束 了 如果 你 还 想要 继续 深入 的 学习 就 需要 你 对 PID 控制 有 一些 了解 了 一 开始 也 有 提到 完整 的

FOC 算法 应该 是 一个 闭环 的 系统 刚才 提到 的 磁场强度 其实 是 根据 传感器 的 数据 以及 我们 发出 的

目标 指令 通过 PID 运算 得到 的 然后 在 实际 的 情况 中 我们 会 用 电流 来 替代 掉 磁场 这 是因为 线圈 中

的 电流 和 磁场 有着 非常 密切 的 关系 它们 的 方向 是 一致 的 大小 也 有着 比例 的 关系 再 加上 电流 传感器

使用 起来 非常 的 方便 所以 实际 的 FOC TORP 结构 是 这 样子 的 其中 包括 了 电流 环 速度 环 以及 位置 环

这 三个 反馈系统 系统 会 根据 输入 的 控制 指标 以及 传感器 接收 到 的 值来 决定 如何 控制 MOS 管 的

开关 然后 在 这里 有 一个 小 问题 就是 这边 怎么 就 可以 通过 电流 的 运算 得到 6 个 MOS 管 的

开关 状态 的 其实 更 完整 的 拓扑 结构 是 这 样子 的 这 里面 涉及 到 另外 两个 算法 克拉克 变换 和 帕克

变换 这部分 内容 我会 在 后面 的 视频 中 单独 给 大家 介绍 今天 主要 是 想 让 大家 先对 FOC 有 一个

基础 的 认知 方便 后面 的 学习 有 了 完整 的 FOC 控制算法 加持 现在 我 就 可以 对 这 把 笑容 家 P20

Pro 牙刷 的 电机 进行 任意 的 控制 了 比起 传统 的 声波 电机 只能 小幅度 震动 它 可以 在 无 物理 线位 的

情况 下 随意 的 在 更 大 的 范围 内 左右 扫动 清洁 牙齿 的 效率 也 就 更 高 了 当然 你 可能 会 担心 电动牙刷

这 样子 大 百幅 会 损伤 牙齿 和 牙龈 刚才 也 有 介绍 了 FOC 除了 控制 速度 和 位置 还 能 控制 力矩 笑容 家

做 了 大量 的 测试 把 牙刷 的 力矩 控制 在 合理 的 范围 保证 了 清洁 力 的 同时 也 兼顾 了 护营 的 需求 最 重要 的 是

它 解决 了 扫 针牙 梢 的 痛点 打牙 特 製 的 超 软胶 缓震刷头 保证 了 大幅 扫动 的 同时 刷头 背部 跟 牙齿 在 无法

避免 的 接触 后能 极大 程度 缓解 硬质 材料 打牙 带来 的 伤害 因为 这个 电动牙刷 刷牙 的 时候

牙刷 头 它 其实 会 打 到 牙齿 然后 所以 牙齿 可能 会 比较 痛 我 以前 其实 是 很 不 喜欢 这种 感觉 的 但是 它

这个 的话 就是 可以 看到 它 上面 其实 是 有 一个 比较 柔软 的 硅胶套 的 所以 其实 即便 是 这 样子 直接

贴着 牙齿 刷 其实 也 不会 感觉 到 什么 异样 的 感觉 好 那 以上 就是 今天 视频 的 全部内容 了 如果 你 觉得 你 有

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