如何通過磁場定向控制提高電機性能

　　磁場定向控制 （FOC） 是電機系統(tǒng)的一項重要技術(shù)，尤其是那些使用永磁體 （PM） 的電機系統(tǒng)。一般來說，F(xiàn)OC 提供了一種在負載快速變化的可調(diào)速驅(qū)動應(yīng)用中控制同步電機的有效方法，并且可以提高交流感應(yīng)電機的功率效率，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 與交流電機聯(lián)系起來。誠然，當(dāng)今的無刷直流 （BLDC） 電機往往非常高效，即使沒有 FOC，效率也高達 96%，但 FOC 為這些系統(tǒng)帶來的價值是減少了轉(zhuǎn)矩脈動，從而使電機性能更平穩(wěn)，運行更安靜。

　　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，而不會因電機的嗡嗡聲而干擾駕駛員。結(jié)果是更安靜的駕駛體驗。從成本和制造的角度來看，將 FOC 引入基于 BLDC 的系統(tǒng)不需要對電機進行硬件更改。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，從而可以獨立控制它們。對于使用磁體的電機，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的特性。FOC 最常見的用途是最大化電機每安培的扭矩。這在定子磁通矢量與轉(zhuǎn)子磁通矢量成 90 度時實現(xiàn)，除非電機具有可變磁阻，例如內(nèi)部埋有磁鐵的電機。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。）

　　實際上，每種電機控制算法都基于 FOC 原理。例如，有刷和基于換向的電機已經(jīng)以這種方式工作了一個多世紀。在這些應(yīng)用中，F(xiàn)OC 并未被特別稱為一種技術(shù)，因為換向器以機械方式執(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控制系統(tǒng)時，定子和轉(zhuǎn)子磁通不會自動對齊。事實上，它們都是旋轉(zhuǎn)的，所以它們的方向必須手動管理?？紤]一個 BLDC 電機，當(dāng)電機換向時。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，例如交流感應(yīng)電機、永磁同步電機 （PMSM） 和許多 BLDC 電機。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，有刷直流電機和帶 FOC 的交流電機之間的主要區(qū)別在于，轉(zhuǎn)子和定子角度在有刷直流電機中自動保持，而基于 FOC 的電機必須自行負責(zé)保持角度。FOC 并不是控制電機的一種新奇的方式。這確實是電機想要控制的方式。

　　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，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)流入電機的電流。（2） 然后將其與所需電流進行比較， （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 的交流電機系統(tǒng)，系統(tǒng)必須使用傳感器或無傳感器實現(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。為了降低成本，可以在逆變器中放置一個分流器。更準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，與電機相位成一直線放置，以獲得比分流器更準確的讀數(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，對準角度的準確性取決于系統(tǒng)更新的頻率。對于典型應(yīng)用，以 10 kHz 運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)動所有電機相位，用于 BLDC 電機的無傳感器技術(shù)不適用于 FOC，因為必須關(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)以高精度讀取電機磁通角，而無需軸傳感器或無電源相位。

　　克服成本障礙

　　實施 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，許多洗衣機和烘干機制造商在基于交流感應(yīng)或永磁同步電機 （PMSM） 的系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向 FOC。減少扭矩紋波使這些設(shè)備能夠更安靜地運行。它們還能夠更平穩(wěn)地運行，從而減少齒輪系的振動并延長電器的可靠運行壽命?；蛘?，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)和基于消費者的 HVAC 系統(tǒng)中實施。例如，空調(diào)系統(tǒng)有兩臺電機——一臺用于風(fēng)扇，一臺用于壓縮機。為了增加壓縮機的使用壽命，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和應(yīng)用。例如，TI 為開發(fā)人員提供其 C2000? 電機控制和 PFC 開發(fā)人員套件 （TMDS1MTRPFCKIT），以使用單個 Piccolo F28035 MCU 實現(xiàn)具有集成功率因數(shù)校正 （PFC） 的電機的 FOC。雙電機套件 （TMDS2MTRPFCKIT） 也可用于控制具有 FOC 和集成 PFC 的兩個電機。

　　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。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 60 MHz。C2803x 用于更復(fù)雜的應(yīng)用，包括 TI 的控制律加速器 （CLA），這是一種獨立于 C2000 內(nèi)核運行的集成浮點處理器。C2806x 是 TI 最新的控制器，工作頻率高達 80 MHz，并具有多項電機控制增強功能，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 的計算和確認電壓輸出是否正確等操作來驗證 CPU 的準確和不間斷運行。正確的。

　　電機控制的未來

　　未來幾年最大的變化將不是來自 FOC 控制算法的改進，而是通過引入新的設(shè)計方法來抽象 FOC 實現(xiàn)的復(fù)雜性。例如，TI 提供多種電機控制設(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)建他們的電機控制系統(tǒng)模型。通過使用此模型運行模擬，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，也可以促進代碼在處理器和應(yīng)用程序之間的遷移。然而，使用 C 確實是以犧牲一些效率為代價的。然而，雖然基于 FOC 的電機控制理解起來很復(fù)雜，但它是一種實施起來相當(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)思維空間中進行設(shè)計——例如，創(chuàng)建電機模型——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，而不是實現(xiàn)細節(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控制系統(tǒng)的設(shè)計方式。隨著這些工具在準確生成控制回路軟件方面變得更加熟練，電機控制系統(tǒng)工程師將不再需要查看 C 源代碼。事實上，編寫電機控制軟件的需要可能會完全消失。電機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)和消費市場。通過使用先進的建模工具，開發(fā)人員可以以最少的軟件開發(fā)和成本設(shè)計、優(yōu)化并將完整且強大的電機控制系統(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控制團隊負責(zé)人 Dave Wilson 對本文的貢獻。