FOC電機控制原理_FOC如何實現(xiàn)精準控制

無論作為哪種控制目標，都無非是一個閉環(huán)，還是兩個、三個閉環(huán)的區(qū)別。那么，用FOC如何實現(xiàn)精準控制呢？

A FOC（Field-Oriented Control），即磁場定向控制，也稱矢量變頻，是目前無刷直流電機（BLDC）和永磁同步電機（PMSM）高效控制的最佳選擇。FOC精確地控制磁場大小與方向，使得電機轉矩平穩(wěn)、噪聲小、效率高，并且具有高速的動態(tài)響應。

FOC電機控制原理

電機控制的結構框圖如圖1所示。一個電機系統(tǒng)包括四個大部分：被控對象、控制器、執(zhí)行器、反饋，硬件上分別對應電機、MCU、驅動電路、信號調理電路，這樣就構成了一套反饋控制系統(tǒng)。

圖1：電機控制結構框圖 一套電機系統(tǒng)的完成主要包括以下兩個方面：硬件電路的搭建以及控制算法的實現(xiàn)。硬件電路組成，如圖2所示，一套電機系統(tǒng)硬件主要包括：MCU、功率器件（MOSFET/IGBT）、驅動電路、信號調理電路、保護電路。控制理論的組成如圖3所示，主要是電機理論與控制算法，其中電機理論的學習讓我們知道控制對象的外特性，而控制算法主要實現(xiàn)怎么控制好電機這個被控對象。

圖2：硬件電路組成

圖3：控制理論組成

FOC是如何實現(xiàn)精準控制的？

近年來，隨著無刷直流電機（BLDC）大規(guī)模研發(fā)和技術的逐漸成熟，驅動系統(tǒng)也在不斷的日益完善，在現(xiàn)實中的應用也是越來越多，其中包括工控電機、醫(yī)療設備，家用電器等領域。同樣的，永磁同步電機也被越來越多的廠商所關注，譬如在軸流風機、空調風機、汽車動力驅動及轉向等，都能找到它們的身影。

做控制的人都知道，任何的電機控制，無非有以下三種不同的控制目標：

1）位置控制：想讓電機轉多少度它就轉多少度；

2）速度控制：想讓電機轉多快它就轉多快；

3）力矩控制：想讓電機出多少力它就出多少力； 無論作為哪種控制目標，都無非是一個閉環(huán)，還是兩個、三個閉環(huán)的區(qū)別。以永磁同步電機作為例子，目前永磁電機常用的電機控制方式有三種：PWM控制（方波控制），SPWM控制（電壓正弦控制），以及FOC控制（磁定向矢量控制）。PWM控制電流大、控制精度差、噪聲也很大，SPWM控制采用電壓正弦式控制，雖然噪聲稍小，但控制精度一般，對成本也比較敏感，在同樣變負載、動態(tài)響應要求高的應用，效果不好。那么，F(xiàn)OC控制如何呢？

1）當負載變化時，速度響應快速而精確；

2）馬達的瞬時效率得到優(yōu)化；

3）通過瞬時力矩控制能實現(xiàn)位置控制；

FOC磁定向控制，采用正弦波的控制方式，啟動比較平穩(wěn)，不僅解決了方波控制帶來的噪聲問題，而且它的控制方式是按照某種設定的關系分配的。通過將電機定子電流分解為勵磁電流和轉矩電流，從而能夠在很大程度上提高電機速度控制的精準度。 同樣的，相比方波控制、電壓正弦控制，F(xiàn)OC矢量控制的控制精度，相比前面的兩者高出20倍以上，同時它的噪聲最小、控制多樣化、算法也最為復雜，適用于更多性能要求高的場合。FOC能精準控制磁場大小和方向，使電機轉矩平穩(wěn)、效率高，并且能夠高速動態(tài)響應。通過對電流大小的精準控制，能夠實現(xiàn)電機轉速5%~100%無級可調。 永磁同步電機，相比交流感應電機、變頻電機等，因為以電子換向器取代了機械換向器，所以需要使用到驅動器的驅動電路。而永磁電機的換向電路，由驅動及控制兩部分組成，是密不可分的。 但是這個簡單的驅動，只能保證永磁同步電機基本的轉動功能。要想實現(xiàn)下面這些功能，譬如說：PWM調速、FG信號輸出、模擬信號調速、外接電位器調速、開閉環(huán)控制等其他功能，也就使用更加復雜的電路來實現(xiàn)。FOC控制作為一種新興的電機技術，能夠很好地將以上諸多的電機功能，輕松集成到控制器實現(xiàn)。