磁場定向控制 （FOC） 是電機(jī)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù),，尤其是那些使用永磁體 （PM） 的電機(jī)系統(tǒng)。一般來說,，F(xiàn)OC 提供了一種在負(fù)載快速變化的可調(diào)速驅(qū)動應(yīng)用中控制同步電機(jī)的有效方法,，并且可以提高交流感應(yīng)電機(jī)的功率效率，尤其是在較低速度下,。出于這個原因，一些設(shè)計人員錯誤地將 FOC 與交流電機(jī)聯(lián)系起來。誠然,，當(dāng)今的無刷直流 （BLDC） 電機(jī)往往非常高效，即使沒有 FOC,，效率也高達(dá) 96%,，但 FOC 為這些系統(tǒng)帶來的價值是減少了轉(zhuǎn)矩脈動，從而使電機(jī)性能更平穩(wěn),，運(yùn)行更安靜,。

　　例如，將 FOC 引入汽車的風(fēng)扇控制器將允許風(fēng)扇有效地移動空氣,，而不會因電機(jī)的嗡嗡聲而干擾駕駛員,。結(jié)果是更安靜的駕駛體驗(yàn)。從成本和制造的角度來看,，將 FOC 引入基于 BLDC 的系統(tǒng)不需要對電機(jī)進(jìn)行硬件更改,。所需要的只是一個具有足夠 MIPS 的 MCU，以支持電機(jī)控制環(huán)路內(nèi)的 FOC 處理,。

　　轉(zhuǎn)矩脈動

　　FOC 通過解耦磁通和轉(zhuǎn)矩分量來提高性能,，從而可以獨(dú)立控制它們。對于使用磁體的電機(jī),，不需要控制磁通,，因此開發(fā)人員只需要控制轉(zhuǎn)矩即可。FOC 在很寬的速度范圍內(nèi)都有效,，包括需要弱磁的高速,。提供相對簡單的控制方法，可以使用 FOC 提供閉環(huán)控制,，而不會不利地增加系統(tǒng)成本,。

　　簡單來說，F(xiàn)OC 是一種電機(jī)控制技術(shù),，系統(tǒng)試圖將靜止或“定子”磁通矢量定向到相對于轉(zhuǎn)子磁通矢量的特定角度（見圖 1）,。最佳定向程度取決于需要最大化電機(jī)的特性。FOC 最常見的用途是最大化電機(jī)每安培的扭矩,。這在定子磁通矢量與轉(zhuǎn)子磁通矢量成 90 度時實(shí)現(xiàn),，除非電機(jī)具有可變磁阻，例如內(nèi)部埋有磁鐵的電機(jī),。在這種情況下,，取向度通常為115至120度,。

　　圖 1：磁場定向控制技術(shù)將定子磁通矢量定向到相對于轉(zhuǎn)子磁通矢量的特定角度。（來源：德州儀器,。經(jīng)許可使用,。）

　　實(shí)際上，每種電機(jī)控制算法都基于 FOC 原理,。例如,，有刷和基于換向的電機(jī)已經(jīng)以這種方式工作了一個多世紀(jì)。在這些應(yīng)用中,，F(xiàn)OC 并未被特別稱為一種技術(shù)，因?yàn)閾Q向器以機(jī)械方式執(zhí)行此定向,。定子本身是靜止的,，因此它們的通量也是靜止的。換向器的工作是循環(huán)電流,，以使轉(zhuǎn)子磁通也有效地靜止,。

　　但是，在設(shè)計沒有換向器的電機(jī)控制系統(tǒng)時,，定子和轉(zhuǎn)子磁通不會自動對齊,。事實(shí)上，它們都是旋轉(zhuǎn)的,，所以它們的方向必須手動管理,。考慮一個 BLDC 電機(jī),，當(dāng)電機(jī)換向時,。系統(tǒng)測量轉(zhuǎn)子的角度，然后嘗試打開適當(dāng)?shù)亩ㄗ泳€圈,，使轉(zhuǎn)子和定子之間的方向盡可能接近 90 度,。然而，電機(jī)只有六個換向間隔,，因此,，精度最多限制在 +/- 30 度。當(dāng)轉(zhuǎn)子進(jìn)入新的換向區(qū)時,，會出現(xiàn) +30 度的誤差,。在換向區(qū)的中間，轉(zhuǎn)子在最佳方向上完美對齊,，沒有誤差,；然后。當(dāng)轉(zhuǎn)子離開換向區(qū)并進(jìn)入下一個換向區(qū)時,，

　　這種換檔誤差的過程會在系統(tǒng)中引入扭矩波動,。對于某些應(yīng)用,，例如電機(jī)旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇的 HVAC 系統(tǒng)，系統(tǒng)往往具有容錯性,，對性能的影響很小,。然而，對于動力轉(zhuǎn)向等應(yīng)用,，駕駛員可以通過方向盤感受到扭矩波動的影響,。轉(zhuǎn)矩脈動也會增加系統(tǒng)產(chǎn)生的可聽噪聲。

　　FOC 最適用于呈現(xiàn)正弦反電動勢波形的電機(jī),，例如交流感應(yīng)電機(jī),、永磁同步電機(jī) （PMSM） 和許多 BLDC 電機(jī)。請注意,，F(xiàn)OC 是轉(zhuǎn)矩控制算法,，而不是速度控制算法?？梢酝ㄟ^在 FOC 環(huán)周圍纏繞速度環(huán)并將其輸出適當(dāng)?shù)仞佀偷?FOC 環(huán)來控制速度,。

　　同樣，有刷直流電機(jī)和帶 FOC 的交流電機(jī)之間的主要區(qū)別在于,，轉(zhuǎn)子和定子角度在有刷直流電機(jī)中自動保持,，而基于 FOC 的電機(jī)必須自行負(fù)責(zé)保持角度。FOC 并不是控制電機(jī)的一種新奇的方式,。這確實(shí)是電機(jī)想要控制的方式,。

　　分解 FOC

　　當(dāng)然，基于 FOC 的控制比簡單的換向更復(fù)雜,、更難理解,。然而，一旦拋開所有的方程式和謎團(tuán),，F(xiàn)OC 可以被視為四個簡單的步驟（參見圖 2）,。（1） 系統(tǒng)測量已經(jīng)流入電機(jī)的電流。（2） 然后將其與所需電流進(jìn)行比較,， （3） 放大所得差分或誤差信號以生成校正電壓,。（4） 最后，將校正電壓調(diào)制到電機(jī)端子上,。根據(jù)應(yīng)用程序,，此過程每秒重復(fù)數(shù)千次。

　　圖 2：FOC 可以通過四個簡單的步驟來實(shí)施,。（來源：德州儀器,。經(jīng)許可使用。）

　　例如,，對于基于 FOC 的交流電機(jī)系統(tǒng),，系統(tǒng)必須使用傳感器或無傳感器實(shí)現(xiàn)來確定轉(zhuǎn)子磁通的角度,。然后系統(tǒng)必須測量三相電機(jī)的三個電流。這些電流在線圈中流動,，理想情況下會產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子矢量成 90 度的電流矢量（或任何最佳方位角）,。由于轉(zhuǎn)子正在移動，因此該矢量可能會稍微偏離并需要進(jìn)行校正,。通常使用旋轉(zhuǎn)變壓器或編碼器測量轉(zhuǎn)子角度,。在確定適當(dāng)?shù)恼`差矢量后，系統(tǒng)會計算三個新電流,，以重新定位電流矢量相對于轉(zhuǎn)子磁通的位置,。請注意，正向克拉克變換可用于將三相電流矢量轉(zhuǎn)換為兩個正交矢量,，從而產(chǎn)生相同的凈矢量,。這樣，

　　開發(fā)人員有許多用于感測相電流的選項(xiàng),。為了降低成本，可以在逆變器中放置一個分流器,。更準(zhǔn)確的選擇往往會更昂貴,。例如，LEM 傳感器是一種基于磁性的傳感器,，與電機(jī)相位成一直線放置,，以獲得比分流器更準(zhǔn)確的讀數(shù)。

　　電流測量的完整性對 FOC 性能至關(guān)重要,，捕獲傳感器讀數(shù)需要控制 MCU 上的 ADC,。今天，10 位 ADC 通常為大多數(shù)應(yīng)用提供足夠的精度,。然而,，許多供應(yīng)商更喜歡使用 12 位 ADC 來實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。這種更高的分辨率消除了輸出中的量化誤差,，并產(chǎn)生了更平滑的波形,。

　　FOC 為應(yīng)用帶來的精度取決于誤差信號保持的緊密程度；即,，對準(zhǔn)角度的準(zhǔn)確性取決于系統(tǒng)更新的頻率,。對于典型應(yīng)用，以 10 kHz 運(yùn)行的控制回路可提供足夠的響應(yīng)能力,。對于可以受益于更高精度的應(yīng)用,，20 kHz 是一個常用頻率。主要的權(quán)衡是隨著工作頻率的增加,，所需的 MCU MIPS 數(shù)量也會增加,。

　　例如,，德州儀器 （TI） 的 C2806 Piccolo? MCU 以 80 MHz 運(yùn)行，可以在 15 到 20 μs 內(nèi)執(zhí)行整個 FOC 計算,，具體取決于同時執(zhí)行的其他控制功能,。即使 PWM 周期為 40 μs，這仍將 C2806 的至少一半帶寬留給其他系統(tǒng)任務(wù)（檢查傳感器,、閃爍 LED,、通過 CAN 端口發(fā)送消息等）。一般的經(jīng)驗(yàn)法則是使用不超過 MCU 容量的 50% 到 60% 用于 FOC,；由于中斷,，系統(tǒng)將沒有足夠的容量來處理應(yīng)用程序的其余部分。

　　開發(fā)人員還可以選擇實(shí)施無傳感器 FOC,。取決于應(yīng)用,，軸角傳感器可能非常昂貴。在這種情況下,，可以通過將 FOC 頻率提高三倍來計算轉(zhuǎn)子磁通角,，從而在軟件中進(jìn)行角度測量，成本效益更高,。這需要每次 FOC 迭代 40 到 60 μs,，并且需要具有足夠帶寬的更昂貴的 MCU。請注意,，由于 FOC 需要連續(xù)驅(qū)動所有電機(jī)相位,，用于 BLDC 電機(jī)的無傳感器技術(shù)不適用于 FOC，因?yàn)楸仨氷P(guān)閉一個相位才能讀取反電動勢信號,。然而,，其他算法也可用，它們將在幾度內(nèi)以高精度讀取電機(jī)磁通角,，而無需軸傳感器或無電源相位,。

　　克服成本障礙

　　實(shí)施 FOC 的最初障礙之一是成本。相比之下,，基于交換控制的系統(tǒng)比較簡單,，考慮到 FOC 所需的計算數(shù)量，即使它提供更平穩(wěn)的操作,，但對于許多應(yīng)用來說,，增加的 FOC 系統(tǒng)成本太高，尤其是在汽車和家電系統(tǒng)中,。

　　然而,，在過去的幾年里，加工技術(shù)成本的下降已經(jīng)大大降低了 FOC 的價格。由于系統(tǒng)只需要更大的 MCU 來提供執(zhí)行 FOC 的處理資源,，因此將 FOC 引入系統(tǒng)的成本可能低至 50 美分,。與電機(jī)系統(tǒng)其余部分的成本相比，F(xiàn)OC 僅占總 BOM 的 2% 到 3%,。

　　以這個價格,，F(xiàn)OC 可以添加到各種各樣的系統(tǒng)中。例如,，許多洗衣機(jī)和烘干機(jī)制造商在基于交流感應(yīng)或永磁同步電機(jī) （PMSM） 的系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向 FOC,。減少扭矩紋波使這些設(shè)備能夠更安靜地運(yùn)行。它們還能夠更平穩(wěn)地運(yùn)行,，從而減少齒輪系的振動并延長電器的可靠運(yùn)行壽命,。或者,，制造商可以利用 FOC 提供的更平穩(wěn)的操作來重新設(shè)計齒輪系并降低整體系統(tǒng)成本,。

　　FOC 也正在工業(yè)和基于消費(fèi)者的 HVAC 系統(tǒng)中實(shí)施。例如,，空調(diào)系統(tǒng)有兩臺電機(jī)——一臺用于風(fēng)扇,，一臺用于壓縮機(jī)。為了增加壓縮機(jī)的使用壽命,，HVAC 系統(tǒng)正在轉(zhuǎn)向 FOC,。其中許多系統(tǒng)同時還在風(fēng)扇控制器中添加了 FOC。同樣,，考慮到通風(fēng)口的放大振動特性，主要好處是運(yùn)行更平穩(wěn),、更安靜,。

　　受低成本 FOC 控制可用性影響的第三個主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車。正如所料,，混合動力車輛的牽引力控制通過 FOC 得到改善,。對于傳統(tǒng)車輛，F(xiàn)OC 是通過電動助力轉(zhuǎn)向顯著提高燃油效率的基礎(chǔ),?；谝簤旱膭恿D(zhuǎn)向需要液壓泵的持續(xù)運(yùn)行，即使駕駛員不經(jīng)常使用轉(zhuǎn)向系統(tǒng),，例如以 65 MPH 的速度在高速公路上行駛時,。相比之下，基于 FOC 的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以按需運(yùn)行,，從而顯著提高效率,。當(dāng)以氣體效率（令人印象深刻的 1 到 3 MPH）來衡量估計的節(jié)省時，轉(zhuǎn)向使用 FOC 的動力轉(zhuǎn)向的激勵措施簡直令人信服。

　　將 FOC 引入電機(jī)控制系統(tǒng)

　　許多硅公司提供了一套多樣化的工具來快速啟動基于 FOC 的系統(tǒng)的設(shè)計,。多種開發(fā)平臺可用于不同類型的電機(jī)和應(yīng)用,。例如，TI 為開發(fā)人員提供其 C2000? 電機(jī)控制和 PFC 開發(fā)人員套件 （TMDS1MTRPFCKIT）,，以使用單個 Piccolo F28035 MCU 實(shí)現(xiàn)具有集成功率因數(shù)校正 （PFC） 的電機(jī)的 FOC,。雙電機(jī)套件 （TMDS2MTRPFCKIT） 也可用于控制具有 FOC 和集成 PFC 的兩個電機(jī)。

　　TI 的 controlSUITE? 軟件包括多種參考設(shè)計,，可為開發(fā)人員提供自己設(shè)計的起點(diǎn),。controlSUITE 應(yīng)用程序也是自我更新的，因此開發(fā)人員始終可以訪問最新的軟件,。FOC 支持適用于 C2000 MCU 系列,，包括 C2802x、C2803x 和 C2806x 器件,。C2802x 架構(gòu)的工作頻率高達(dá) 60 MHz,。C2803x 用于更復(fù)雜的應(yīng)用，包括 TI 的控制律加速器 （CLA）,，這是一種獨(dú)立于 C2000 內(nèi)核運(yùn)行的集成浮點(diǎn)處理器,。C2806x 是 TI 最新的控制器，工作頻率高達(dá) 80 MHz,，并具有多項(xiàng)電機(jī)控制增強(qiáng)功能,，包括新的復(fù)雜數(shù)學(xué)指令和 DMA 控制器，用于在將數(shù)據(jù)從 ADC 或通信外設(shè)移動到 RAM 時卸載 CPU,。

　　C2803x 和 C2806x 控制器也非常適合安全應(yīng)用,。CLA 與 CPU（即非對稱處理器）分離，因此可用于滿足安全規(guī)定,，通過執(zhí)行檢查 CPU 的計算和確認(rèn)電壓輸出是否正確等操作來驗(yàn)證 CPU 的準(zhǔn)確和不間斷運(yùn)行,。正確的。

　　電機(jī)控制的未來

　　未來幾年最大的變化將不是來自 FOC 控制算法的改進(jìn),，而是通過引入新的設(shè)計方法來抽象 FOC 實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性,。例如，TI 提供多種電機(jī)控制設(shè)計產(chǎn)品,，包括 MATLAB 提供的 Simulink 開發(fā)環(huán)境和 Visual Solutions 提供的 VisSim,。開發(fā)人員可以使用這些工具在軟件中創(chuàng)建他們的電機(jī)控制系統(tǒng)模型。通過使用此模型運(yùn)行模擬,，開發(fā)人員可以調(diào)整系統(tǒng)以根據(jù)特定應(yīng)用程序的需要運(yùn)行,。模型完成后，工具會自動為控制回路生成 C 源代碼,。然后,，開發(fā)人員可以調(diào)整生成的代碼并將其集成到整個系統(tǒng)中,。

　　使用 C 語言為開發(fā)人員從特定于處理器的實(shí)現(xiàn)中抽象代碼提供了幾個好處，既可以使開發(fā)人員更容易理解代碼,，也可以促進(jìn)代碼在處理器和應(yīng)用程序之間的遷移,。然而，使用 C 確實(shí)是以犧牲一些效率為代價的,。然而,，雖然基于 FOC 的電機(jī)控制理解起來很復(fù)雜，但它是一種實(shí)施起來相當(dāng)一致的技術(shù),，并且在給定一組操作參數(shù)的情況下,，創(chuàng)建適當(dāng)?shù)奶幚泶a相對簡單。此外,，對編譯器技術(shù)的持續(xù)投資正在縮小匯編和生成的 C 代碼之間的性能差距,。例如，Visual Solutions 估計他們的工具可以達(dá)到手工編碼效率的 5% 到 10%,。權(quán)衡是開發(fā)人員可以在更直觀的開發(fā)思維空間中進(jìn)行設(shè)計——例如,，創(chuàng)建電機(jī)模型——而不必考慮 MCU 的架構(gòu)和匯編指令格式。這樣,，開發(fā)人員可以專注于應(yīng)用程序性能,，而不是實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。結(jié)果是更高效的設(shè)計和更快的上市時間,。

　　Simulink 和 VisSim 等工具有可能徹底改變電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方式,。隨著這些工具在準(zhǔn)確生成控制回路軟件方面變得更加熟練，電機(jī)控制系統(tǒng)工程師將不再需要查看 C 源代碼,。事實(shí)上,，編寫電機(jī)控制軟件的需要可能會完全消失。電機(jī)控制是一個眾所周知的問題,，如果 TI,、MATLAB 和 Visual Solutions 等公司是正確的，那么 FOC 和電機(jī)控制一般將在未來五到十年內(nèi)成為基于參數(shù)的功能,。

　　雖然 FOC 的好處——提高效率、更平穩(wěn)的運(yùn)行和更低的噪音——已經(jīng)為人所知一段時間,，但鑒于增加的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本,，許多制造商認(rèn)為 FOC 遙不可及。隨著 MCU 技術(shù)的不斷創(chuàng)新,，F(xiàn)OC 已經(jīng)變得負(fù)擔(dān)得起,，并被引入到廣泛的應(yīng)用中，包括電器,、汽車,、HVAC 以及其他工業(yè)和消費(fèi)市場。通過使用先進(jìn)的建模工具，開發(fā)人員可以以最少的軟件開發(fā)和成本設(shè)計,、優(yōu)化并將完整且強(qiáng)大的電機(jī)控制系統(tǒng)推向市場,，從而將 FOC 的性能優(yōu)勢帶入各種新設(shè)備。

　　特別感謝德州儀器電機(jī)控制團(tuán)隊負(fù)責(zé)人 Dave Wilson 對本文的貢獻(xiàn),。

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