FOC電機(jī)控制原理_FOC如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制

無論作為哪種控制目標(biāo)，都無非是一個(gè)閉環(huán)，還是兩個(gè)、三個(gè)閉環(huán)的區(qū)別。那么，用FOC如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（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(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪聲小、效率高，并且具有高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

FOC電機(jī)控制原理

電機(jī)控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。一個(gè)電機(jī)系統(tǒng)包括四個(gè)大部分：被控對象、控制器、執(zhí)行器、反饋，硬件上分別對應(yīng)電機(jī)、MCU、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路，這樣就構(gòu)成了一套反饋控制系統(tǒng)。

圖1：電機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖 一套電機(jī)系統(tǒng)的完成主要包括以下兩個(gè)方面：硬件電路的搭建以及控制算法的實(shí)現(xiàn)。硬件電路組成，如圖2所示，一套電機(jī)系統(tǒng)硬件主要包括：MCU、功率器件（MOSFET/IGBT）、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)調(diào)理電路、保護(hù)電路?？刂评碚摰慕M成如圖3所示，主要是電機(jī)理論與控制算法，其中電機(jī)理論的學(xué)習(xí)讓我們知道控制對象的外特性，而控制算法主要實(shí)現(xiàn)怎么控制好電機(jī)這個(gè)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的？

近年來，隨著無刷直流電機(jī)（BLDC）大規(guī)模研發(fā)和技術(shù)的逐漸成熟，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也在不斷的日益完善，在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用也是越來越多，其中包括工控電機(jī)、醫(yī)療設(shè)備，家用電器等領(lǐng)域。同樣的，永磁同步電機(jī)也被越來越多的廠商所關(guān)注，譬如在軸流風(fēng)機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)、汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向等，都能找到它們的身影。

做控制的人都知道，任何的電機(jī)控制，無非有以下三種不同的控制目標(biāo)：

1）位置控制：想讓電機(jī)轉(zhuǎn)多少度它就轉(zhuǎn)多少度；

2）速度控制：想讓電機(jī)轉(zhuǎn)多快它就轉(zhuǎn)多快；

3）力矩控制：想讓電機(jī)出多少力它就出多少力； 無論作為哪種控制目標(biāo)，都無非是一個(gè)閉環(huán)，還是兩個(gè)、三個(gè)閉環(huán)的區(qū)別。以永磁同步電機(jī)作為例子，目前永磁電機(jī)常用的電機(jī)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(fù)載、動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高的應(yīng)用，效果不好。那么，F(xiàn)OC控制如何呢？

1）當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，速度響應(yīng)快速而精確；

2）馬達(dá)的瞬時(shí)效率得到優(yōu)化；

3）通過瞬時(shí)力矩控制能實(shí)現(xiàn)位置控制；

FOC磁定向控制，采用正弦波的控制方式，啟動(dòng)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(shè)定的關(guān)系分配的。通過將電機(jī)定子電流分解為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，從而能夠在很大程度上提高電機(jī)速度控制的精準(zhǔn)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(shí)它的噪聲最小、控制多樣化、算法也最為復(fù)雜，適用于更多性能要求高的場合。FOC能精準(zhǔn)控制磁場大小和方向，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、效率高，并且能夠高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過對電流大小的精準(zhǔn)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速5%~100%無級(jí)可調(diào)。 永磁同步電機(jī)，相比交流感應(yīng)電機(jī)、變頻電機(jī)等，因?yàn)橐?a target="_blank">電子換向器取代了機(jī)械換向器，所以需要使用到驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電路。而永磁電機(jī)的換向電路，由驅(qū)動(dòng)及控制兩部分組成，是密不可分的。 但是這個(gè)簡單的驅(qū)動(dòng)，只能保證永磁同步電機(jī)基本的轉(zhuǎn)動(dòng)功能。要想實(shí)現(xiàn)下面這些功能，譬如說：PWM調(diào)速、FG信號(hào)輸出、模擬信號(hào)調(diào)速、外接電位器調(diào)速、開閉環(huán)控制等其他功能，也就使用更加復(fù)雜的電路來實(shí)現(xiàn)。FOC控制作為一種新興的電機(jī)技術(shù)，能夠很好地將以上諸多的電機(jī)功能，輕松集成到控制器實(shí)現(xiàn)。