場指向制御（FOC）は、ローターフラックスに整列した基準座標系内で三相モーター電流を制御します。正弦波位相量をほぼ定常な直軸および直交軸成分に変換し、PIコントローラがフラックスとトルク電流を別々に制御できるようにします。
ロボット関節は、トルク、速度、位置ループの下にある高速な内側モーター制御層としてFOCを利用しています。正確な電流感知、ローターの電気角度、モーターパラメータ、決定的なタイミング、インバーター電圧、熱限界が実際に発生するトルクを決定します。
このガイドをジョ イントコントロールモード と モータードライバーアーキテクチャで活用してください。FOC用語では、調整された出力トルクを証明するものではありません。モーター、トランスミッション、ジョイントを外部参照で検証します。
FOCはフラックスとトルクを生じる電流を分離します
直線軸はローターフラックスと一致し、直交軸は垂直です。表面取り付けの永久磁石モーターでは、基準速度以下で直接軸電流をほぼゼロに設定し、直交電流をトルクとして用いるのが一般的な戦略です。内部モーターや電界弱化や効率化戦略では、ゼロでない直線電流が必要になることがあります。
管制者はローターの電気角度を知っていなければならず、これは機械角度に極対を掛けたものと、選択した慣習に基づくオフセットに相当します。角度誤差は軸を混ぜ、アンペアあたりのトルクを減少させ、発熱や不安定性を引き起こすことがあります。
位相電流サンプリングが閉ループを始めます
二相または三相電流はシャント、ホールセンサー、または絶縁センサーを通じて測定されます。バランス三相システムの場合、3つ目の電流は他の2つから推定できます。サンプリングは、選択したトポロジーが有効な現在の情報を提供するPWM時刻で行われなければなりません。
オフセット、利得、アンプの沈降、コモンモードの過渡現象、ADCタイミングはトルクに直接影響します。電流ゼロの校正を行い、デューティサイクル全体での再構築を確認します。クリーンなソフトウェア値は飽和増幅器や無効なサンプリングウィンドウを隠すことができます。
| FOCステージ | 入力 | 出力 | 臨界誤差 |
|---|---|---|---|
| 現在のサンプリング | 位相電流とPWM状態 | 測定位相ベクトル | オフセットとタイミング |
| クラーク変換 | 三相電流 | 定常アルファベータ軸 | 符号とスケーリング |
| パーク変換 | アルファベータとローター角 | 回転するd-q電流 | 電気角度オフセット |
| PI電流制御 | D-Qのリファレンスとフィードバック | d-q電圧需要 | 帯域幅と飽和度 |
| PWM変調 | 電圧ベクトルと直流バス | ゲートデューティサイクル | デッドタイムと電圧制限 |
クラーク変換とパーク変換は測定系を回転させます
マイクロチップの センサー付きPMSM FOC適用ノート には、位相電流から固定軸への変換、さらにエンコーダ角度で整列したd-q座標への変換が説明されています。
全体を通して、記録された振幅と符号の規則を一つ使ってください。変換、モーター位相順序、エンコーダ方向の不一致は負のトルク、軸結合、または一方向のみの制御装置を生じさせることがあります。
d-q PIループは電圧コマンドを生成します
各電流部品は基準と比較され、PIコントローラによって調整されます。フィードフォワードデカップリングは抵抗、逆方向の電動力、クロスカップリングを補償することがあります。要求されたd-q電圧は、DCバスと変調から利用可能な電圧ベクトル内に収まらなければなりません。
電圧が飽和したときにアンチゼンドアップを使いましょう。高速では逆電動勢が電圧マージンを消費し、電流トラッキングが劣化します。トルクコマンドの限界は、速度、バス電圧、電流、モーター温度、インバーター温度を反映しなければなりません。
逆変換とPWMでインバータを駆動します
命令されたd-q電圧は元の座標に戻されます。空間ベクトル変調または正弦変調は、そのベクトルを3つのデューティサイクルに変換します。ゲートドライバーはインバータトランジスタを切り替え、デッドタイムと保護の対象となります。
デッドタイム電圧誤差、最小パルス幅、バスリップルは特に低電圧や低トルク時に電流を歪めます。報酬は役立つことがありますが、方向と現在の状況を問わず確認しなければなりません。インバーターは制御プラントの一部です。
FOCと6ステップの整流は異なる波形を対象としています
6段階交換は離散セクターの位相対に電流を与え、比較的単純です。FOCは電流ベクトルを継続的に調整し、モーターの逆起電力、センサー、チューニングが適合する場合にトルクリップルや音響ノイズを低減できます。
BLDCとラベル付けされたすべてのモーターが正弦波逆電動力を持つとか、すべてのFOC実装がスムーズだとは思わないでください。実際のモーターのトルクリップル、電流の歪み、効率、温度を測定してください。モーターの形状と電流の波形は一致しなければなりません。
| 比較 | FOC | 六段階交換 | ロボットの衝撃 |
|---|---|---|---|
| 現指揮 | 回転ベクトル | 離散セクター | トルクの滑らかさ |
| ローター情報 | 連続角度または推定 | セクターポジション | センサーの要件 |
| 計算 | 変換とPIループ | より単純な論理 | MCUとタイミング |
| 電圧の使用 | 変調によります | 台形スイッチング | 速度包絡線 |
| 検証 | D-Qトラッキングとトルクリップル | 整流タイミングとリップル | 騒音と制御品質 |
ローター角とモーターパラメータの校正が必要です
制御された電流と既知のローター状態を使ってエンコーダの電気的オフセットを調整します。位相の順序、極対、方向を確認してください。機械的には小さく見えるオフセットが、多極モーターでは電気的には大きくなることがあります。
電流ループの調整は位相抵抗とインダクタンスに依存しますが、測定値は方法、ローターの位置、温度によって変わります。まずは保守的なゲインから始め、ステップ応答を検査し、スイッチング、遅延、構造的制限以下で帯域幅を増やしましょう。
センサーレスFOCは低速領域で難しい
逆起界観測者はローター位置を推定するのに十分な速度が必要です。停止時や非常に低速時には、起動アライメント、オープンループランプ、または高周波注入が必要になることがあります。これらの挙動は、静止から制御されたトルクを生み出さなければならないロボットの関節とは相容れない場合があります。
正確なゼロスピードトルクや予測可能な起動が重要な場合、エンコーダーやリゾルバのフィードバックが一般的です。センサーレス制御を検討する場合は、ローターの詰まりや重力を含むすべての負荷、方向、再始動条件をテストしてください。
オシロスコープとトルクテストでは異なる故障が明らかになります
位相電流、シャントアンプ出力、PWMタイミング、バス電圧、エンコーダ信号を安全に絶縁測定して検査します。d-q参照、フィードバック、電圧飽和、故障フラグをログにします。電流ループはログ上で安定的に見えることがありますが、ハードウェアスイッチングはノイズやクリップが発生します。
モーターやジョイントのトルクを方向、角度、速度、温度にかけて電流に対して測定します。トルクリップルは角度誤差、コギング、高調波、または機械的伝達効果を示すことがあります。可能な限り運動と関節の証拠を別々に提出してください。
FOCは内側の層であり、全体のジョイントコントローラーではありません
外側のトルク、速度、または位置ループはFOCに電流またはトルクを生み出す動作を求めます。電流ループ帯域幅はマージンを伴って外ループ帯域幅を上回るべきであり、通信やタスク制御は決定論的モーター保護を妨げてはなりません。
コマンドタイムアウト、過電流、過電圧、エンコーダ故障、過速、熱応答を定義します。起動、シャットダウン、モードの切り替えを検証してください。FOCの品質には、安定した回転だけでなく、安全な境界行動が含まれます。
- 電流のオフセット、ゲイン、サンプリングタイミングをキャリブレーションします。
- 位相順序、極対、電気角度のずれを確認してください。
- 電圧アンチウィンドアップでd-q電流ループをチューニングします。
- トルクリップル、飽和、熱限界を測定してください。
- 起動、故障、ゼロ速トルクを明確にテストしてください。
よくある質問
FOCはトルクコントロールと同じですか？
FOCはモーター電流を調整し、制御されたトルクを発生させることができますが、出力トルクは校正、モーターパラメータ、トランスミッション損失にも依存します。
BLDCモーターはFOCを使えますか？
はい、モーターモデル、逆起電力、センシングが選んだ電流制御戦略を支持している場合に限ります。
FOCはエンコーダーなしで動作しますか？
センサーなし推定では可能ですが、停止や低速トルクは難しく、慎重な始動と検証が必要です。
直線電流は常にゼロなのでしょうか？
いいえ。表面PMモーターでは基準速度を下回るとほぼゼロに近いことが多いですが、内部PM、MTPA、場弱化戦略では他の値を制御できます。
チューニングの際に最初に確認すべきことは何でしょうか？
PI利得を上げる前に、電流センサーの校正、位相順序、ローターの電気角、電圧マージンを確認してください。
運動制御境界注記
FOCは電流測定、ローター角、変換慣例、ループタイミング、インバータ限界に敏感です。モーターと出力トルクを速度、方向、温度に比べて検証し、独立した電気的および熱的保護を実装します。