FOC（磁场定向控制，Field-Oriented Control）是自动门电机控制领域从"能用"到"好用"的分水岭——方波驱动（六步换向）像手动挡车：顿挫、噪音大、效率低。FOC像CVT无级变速：平滑、安静、高效。但FOC的门槛在于需要精确的电机参数和复杂的数学变换。本文拆解FOC的核心算法链。
一、为什么要FOC——六步换向的三个致命缺陷
| 缺陷 | 六步换向（方波驱动） | FOC（正弦波驱动） |
|---|---|---|
| 转矩脉动 | 每60°电角度有一次转矩跌落（换向瞬间），峰值-谷值可达正常转矩的50% | 转矩理论上恒定（正弦电流产生恒幅旋转磁场）→脉动<5% |
| 电流谐波 | 电流波形是阶梯状的梯形→THD>30%→大量谐波不产生有效转矩只产生热量和噪音 | 谐波<3%→几乎全部电流产生有效转矩 |
| 噪音 | 换向瞬间的电流突变+转矩突变→"咔咔"的换向噪音 | 正弦连续→无换向瞬态→安静 |
二、FOC核心算法链——一步一步拆解
2.1 三相电流采样
两个电流传感器（或三个，第三个= 0 - 前两个之和）测量定子绕组的三相瞬时电流 ia, ib, ic。采样必须与PWM载波同步——通常在PWM周期的中心点（电流最稳定，无开关噪声）。采样频率= PWM频率= 20kHz。
2.2 Clarke变换（三相→两相静止）
三相电流 ia, ib, ic 不是独立的（ia+ib+ic=0），可以用两个变量完整描述。Clarke变换将它们投影到一个两相正交静止坐标系（α-β 坐标系，α轴对准A相绕组轴）：
- iα = ia
- iβ = (ia + 2×ib) / √3
现在电流被表达为α-β平面上的一个旋转矢量——矢量旋转的速度 = 电角频率，矢量幅值 = 电流幅值。
2.3 Park变换（静止→旋转坐标系）
Park变换是整个FOC的灵魂——它将α-β平面上的旋转矢量"锁定"到与转子磁场同步旋转的d-q坐标系（d轴对准转子永磁体N极方向，q轴超前d轴90°）：
- id = iα×cos(θ) + iβ×sin(θ)
- iq = -iα×sin(θ) + iβ×cos(θ)
变换后，id 和 iq 变成了直流——不再是交流！这是关键：在d-q坐标系中，控制电机就像控制两个直流电机一样简单：
- id = 励磁电流分量（对永磁电机设为0，永磁体已提供励磁）
- iq = 转矩电流分量（正比于电机输出转矩）
2.4 PI电流环控制
| 控制回路 | 参考值 | 反馈值 | 输出 | 带宽 |
|---|---|---|---|---|
| d轴电流PI | id_ref = 0 | id（实测） | vd（d轴参考电压） | ~2kHz |
| q轴电流PI | iq_ref（来自速度环） | iq（实测） | vq（q轴参考电压） | ~2kHz |
2.5 速度环PID
外层速度环以~1kHz频率更新：速度参考值（来自S曲线轨迹生成器）vs 实际速度（来自霍尔位置微分）→ PID输出 iq_ref → 传给电流环。
2.6 逆Park变换 + SVPWM
逆Park：vd, vq → vα, vβ → SVPWM（空间矢量PWM）→ 6路PWM占空比 → MOSFET逆变桥。SVPWM相比传统SPWM的优势：直流母线电压利用率高15%（同样母线电压→输出更大的相电压→电机可以跑更快）。
三、电机参数自整定——FOC的"入场券"
FOC要能正常运行，控制器必须知道电机的这几个参数：
- 相电阻 R (Ω)：通过注入直流电流测量电压降获得
- 相电感 L (mH)：通过注入高频交流信号测量电抗获得
- 反电动势常数 Ke (V·s/m 或 V/krpm)：手动推动电机测开路电压获得
- 极对数 p：已知参数（电机设计时确定）
自动门电机控制器的参数自整定功能：安装完成后按"自整定"→控制器自动运行一个测试序列（静止测试R/L + 开环运行测试Ke + 门体惯量辨识）→全部参数自动写入Flash→FOC就绪。整个过程约30秒。
四、FOC在自动门上的特有优化
| 优化项 | 方法 | 收益 |
|---|---|---|
| 负载自适应前馈 | 根据门体质量+摩擦模型→前馈补偿电流→减轻PI控制器负担 | 启动更快、速度跟踪更准 |
| 弱磁控制 | 在高速段注入负id→减弱气隙磁场→突破额定速度限制 | 较高速度提升20-30% |
| S曲线轨迹联动 | S曲线轨迹发生器的加速度导数（jerk）连续→消除冲击 | 无声启停 |
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