磁場定向技術(shù)（Field Oriented Control，簡稱FOC）是直流無刷電機和交流感應電機控制領(lǐng)域所采用的一種純粹的數(shù)學變換方法，因其具有改善控制性能，降低能源消耗的潛力，現(xiàn)已日漸成為運動控制行業(yè)的主要關(guān)注焦點。 　　 FOC技術(shù)優(yōu)于基于霍爾傳感器的無刷直流電機的標準梯形波換相技術(shù)，同時可以通過更為復雜而先進的正弦波換相技術(shù)為電機提供更為寬泛的速度范圍。對于感應電機而言，F(xiàn)OC技術(shù)是對標準變頻驅(qū)動技術(shù)的一種重大改進。FOC技術(shù)與磁通矢量控制技術(shù)十分接近，后者可以控制廉價的三相交流感應電機，使其獲得類似于昂貴的無刷直流電機的性能，其實，許多供應商都在交替采用這兩種方法。 　　 與其他類型的伺服電機相比，比如仍舊應用于不少重要領(lǐng)域的有刷直流電機，無刷直流電機和交流感應電機可以提供更高的功率密度和可靠性，而且交流感應電機也更為便宜。為充分發(fā)揮這些優(yōu)勢，運動控制設(shè)計人員都在采用由數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processors，簡稱DSP）或?qū)Ｓ梦⑻幚砥鳂?gòu)成的高速算法平臺，力圖改善性能，增進效率。 在無刷直流電機應用中，更高的性能就意味著更加平穩(wěn)的運動和更為寬泛的運行速度。應用于交流感應電機時，其潛在優(yōu)勢則可能具有更為深遠的意義，與簡單的全開全關(guān)控制相比，F(xiàn)OC技術(shù)可以使電機的運行效率更高，發(fā)熱更少，因而電機本身也可以更小，F(xiàn)OC技術(shù)還可以支持反向旋轉(zhuǎn)等特性，從而不再需要制動器和離合器等?？紤]到美國全部能耗的60％到65％都在用于驅(qū)動電機，這無疑將促進市場對于更高能效的需求。 　　 磁吸力 　　 從如何產(chǎn)生力矩的視角出發(fā)，對于大多數(shù)電機而言，簡潔的磁棒就是一種很好的工作模型，作為電機轉(zhuǎn)子模型的磁棒圍繞自身中心旋轉(zhuǎn)，并與安裝于定子的固定線圈所產(chǎn)生的磁場相互作用。無刷直流電機的轉(zhuǎn)子磁場由直接安裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生，交流感應電機的轉(zhuǎn)子磁場則由定子旋轉(zhuǎn)磁場的感應作用產(chǎn)生（這也正是感應電機的名稱由來），與無刷直流電機有所不同，該磁場的方向變化取決于多種因素，包括定子的勵磁頻率和電流，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及電機的負載力矩等。 　　 直流無刷電機的定子線圈通常采用三相結(jié)構(gòu)，與可采用FOC技術(shù)的交流感應電機的繞組形式相同。單相感應電機是大多數(shù)空調(diào)機、電冰箱、洗衣機和干燥機等家用電器的動力源，因其定子線圈無法分開控制，所以還不能采用這種最高級別的矢量控制技術(shù)。 　　 在任何情況下，定子的三相繞組都以120度電角度均勻排列，三相繞組所產(chǎn)生的合力最終促成電機的有效旋轉(zhuǎn)。隨著各相線圈的勵磁相位不同，其相互作用的結(jié)果既可以產(chǎn)生無法形成旋轉(zhuǎn)力矩的磁力作用，也可以產(chǎn)生能夠形成旋轉(zhuǎn)運動的磁力作用。這兩種不同類型的磁力作用通常被分別稱作交軸分量（Q）和直軸分量（D），可產(chǎn)生有效力矩的交軸分量（請勿混同于位置反饋裝置的正交編碼方案）的運行方向垂直于轉(zhuǎn)子磁極軸線，不產(chǎn)生力矩的直軸分量的運行方向則平行于轉(zhuǎn)子磁極軸線。這種矢量關(guān)系如圖1所示。 　　 形成旋轉(zhuǎn)運動的訣竅在于使Q軸分量最大化的同時使D軸分量最小化。對于無刷直流電機而言，做到這一點很容易，至少在概念上如此，畢竟無刷直流電機具有直接安裝于轉(zhuǎn)子的永磁體，這樣一來，如果通過霍爾傳感器或者位置編碼器檢測出轉(zhuǎn)子角度，就可以知道轉(zhuǎn)子磁場的方向。如果試圖采用無傳感器控制技術(shù)進行速度和力矩控制，則會出現(xiàn)更多令人感興趣的方法，由于不存在轉(zhuǎn)子位置的直接機械檢測，因此必須通過三相繞組的反電勢波形推算轉(zhuǎn)子角度，盡管并不容易，這種反電勢控制方法如今已用得相當普遍。不過必須記?。悍措妱菪枰姍C旋轉(zhuǎn)起來才會產(chǎn)生，所以該技術(shù)并不適用于有時必須鎖定于某一固定位置的定位控制領(lǐng)域。 　　 對于交流感應電機而言，也可以采用類似方法。由于額外需要維持一定幅度的感應磁通，所以D軸分量不能取為零，而是代之以一個與電機特性有關(guān)的小常量。此外，以霍爾傳感器或者編碼器檢測轉(zhuǎn)子位置也不足以確定轉(zhuǎn)子的磁場角度，因為即便如此也無法告訴我們轉(zhuǎn)子感生磁場的確切角度，畢竟該磁場由感應而來，且總是在變化。 　　 轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)子磁場角度間的這種差異被稱為滑差角。作用于電機的實際力矩越大，滑差也越大，電機輸出的補償力矩也越大。該平衡關(guān)系有些類似于液壓傳動裝置：發(fā)動機與車輪間的轉(zhuǎn)速差越大，傳動裝置所產(chǎn)生的扭矩也越大。這就意味著電機的旋轉(zhuǎn)速度會低于定子的驅(qū)動頻率。 　　 對于交流感應電機的各種常規(guī)應用而言，滑差引起的速度跌落往往不成問題。不過，對于定位應用或者使電機運行于最高效率時，滑差必須精確控制。有一些方法可以實現(xiàn)該目的，只是都需要檢測或者估計轉(zhuǎn)子的感生電磁場。需再次指出的是采用反電勢技術(shù)就是達成該目標的一種常用方法；另一種流行方法被稱為磁通矢量控制，即通過檢測轉(zhuǎn)子的機械角度，以求利用算法對電機的多種特征進行估計從而導出轉(zhuǎn)子磁場角度。 　　 定向控制之夢 　　 由于磁場定向控制可為電機提供寬泛的可用速度范圍，該方法已成為無刷直流電機的一種重要驅(qū)動和換相方法，同樣也成為交流感應電機的控制方法之一。在此，有必要比較一下FOC方法和正弦換相方法，后者曾經(jīng)是基于編碼器反饋的高端無刷直流電機控制的最常用方法。 圖2提供了正弦換相方法以及FOC方法的總體控制流程。正弦控制方法通過一套正弦查找表矢量化轉(zhuǎn)矩指令，從而為電機的每相繞組單獨提供指令。隨著轉(zhuǎn)子向前移動，查找表的角度也同樣前移。矢量化的相電流指令一經(jīng)產(chǎn)生，即被送往每相繞組對應的電流環(huán)路，力圖使實際繞組電流與目標電流值保持一致。 　　 該方法的一個重要特性是隨著電機旋轉(zhuǎn)頻率的增加，維持目標電流也愈發(fā)困難。這源于電流環(huán)直接“取自”旋轉(zhuǎn)頻率，電流環(huán)的任何滯后（在某種程度上這是不可避免的）都會導致定子實際轉(zhuǎn)矩與目標值出現(xiàn)偏差。該滯后在低轉(zhuǎn)速下無關(guān)緊要，在較高轉(zhuǎn)速下卻會引起本不想要的D軸轉(zhuǎn)矩的增加，進而降低有效轉(zhuǎn)矩值。 　　 從控制原理上講，磁場定向控制方法與上述方法的差別在于電流環(huán)運行并不參照電機旋轉(zhuǎn)，也就是說獨立于電機旋轉(zhuǎn)。在FOC方法中存在兩個實際的電流環(huán)，一個用于Q軸轉(zhuǎn)矩，另一個用于D軸轉(zhuǎn)矩。Q軸轉(zhuǎn)矩電流環(huán)施以來自伺服控制器的用戶目標轉(zhuǎn)矩，D軸電流環(huán)則施以零輸入指令，以便使不想要的直軸分量降至最低。 　　 完成上述全部工作的訣竅在于被稱作Park和Clarke變換的純粹的數(shù)學變換算法，可以將矢量化相位角轉(zhuǎn)化為解耦的D軸和Q軸參考坐標系。該變換共進行兩次，一次是將D軸和Q軸控制環(huán)路輸出轉(zhuǎn)化為電機的三相指令，另一次是將轉(zhuǎn)子的檢測角度轉(zhuǎn)化回D軸和Q軸參考坐標系。這些變換方法問世多年之后，始終等待著廉價的高性能DSP和微處理器的出現(xiàn)，以使其能夠在無刷直流電機和交流感應電機驅(qū)動中得到切實應用和實踐。 　　 如今這個愿望已經(jīng)實現(xiàn)，采用FOC方法的交流感應電機可以使電機運行效率提高到85%，相比之下不采用磁場定向方法卻只有60%左右。相比較而言，采用FOC方法的無刷直流電機甚至可以達到更高的效率，即高達95%。采用正弦換相的無刷直流電機也能夠以很高的效率運行，不過無法像FOC方法那樣在非常高的電機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持運行效率。 　　 吸引始于何處 　　 實際上講，選擇電機和功放往往也就指定了所采用的控制方法。 　　 如果你正在使用無刷直流電機做定位控制，那么就不能選擇無傳感器控制技術(shù)。你會需要一個編碼器，而且最好也包括一套霍爾傳感器。如果你想使電機獲得最佳性能，你將會傾向于采用磁場定向控制，然而，除非你準備親自搭建功放（這是一項令多數(shù)人畏懼的任務(wù)），否則你應該購買一套已經(jīng)具備該特性的現(xiàn)成驅(qū)動。 　　 這類驅(qū)動方案的配置通常包括高級運動控制功能，比如輪廓軌跡生成，位置伺服閉環(huán)，以及PLC類型的輸入輸出。有許多緊湊型的單軸驅(qū)動器可以提供基于霍爾傳感器的正弦換相或者磁場定向控制，這些驅(qū)動多配備有經(jīng)典的RS/485，CAN總線，以太網(wǎng)，或者其他串行總線，需要你做的一切是將電機和功率電源互聯(lián)起來，并發(fā)出指令。 如果你采用基于板卡的方法，無論是采購一塊，還是親自設(shè)計一塊，你實踐磁場定向控制的能力都將受到限制，這是由于大多數(shù)功放產(chǎn)品都采用±10V的模擬控制輸入信號，并不提供磁場定向控制接口，而那些能夠提供該功能的產(chǎn)品一般又很昂貴，因為附加的分立運動板卡上包含了許多你并不需要的特性。然而，也有一些好消息，不少供應商可以提供正弦換相控制，該控制由運動板卡實現(xiàn)，通過輸出兩路±10V的模擬信號分別表示A相和B相目標電流。對于許多應用而言，正弦換相可以比基于霍爾傳感器的六拍換提供極大的性能改善，因此該方法仍不失為廣義運動領(lǐng)域的一種上佳選擇。 　　 如果你采用無刷直流電機進行速度控制應用，比如離心分離機，傳送帶驅(qū)動，或者其他非定位應用，就可以擁有更多的設(shè)計選擇。無傳感器控制當然是一種可能性，盡管可提供無傳感器磁場定向控制的驅(qū)動產(chǎn)品還不多見。更常見的形式是可提供類正弦換相功能的無傳感器驅(qū)動，可供采購的形式包括芯片級，或者驅(qū)動器級產(chǎn)品。 　　 如果你采用交流感應電機，估計設(shè)計目標是速度或轉(zhuǎn)矩應用，而不是定位應用。雖然在技術(shù)類期刊中會經(jīng)常談及，不過交流感應電機應用于定位控制的實例還是不多，除非在一些特殊場合，比如功率極高的驅(qū)動。 　　 總之，你會有許多選擇，只不過往往會歸于親自設(shè)計一個或者買一個現(xiàn)成的驅(qū)動，假如你決定買一個驅(qū)動，則可供選擇的性能水平十分寬泛，從簡單的變頻調(diào)速控制到高級的磁場定向和磁通矢量驅(qū)動都有。 　　 假如你決定搭建自己的控制卡或者功放，只要熟悉基本的逆變器設(shè)計技術(shù)和MOSFET或者IGBT功率開關(guān)技術(shù)，就不難實現(xiàn)簡單的變頻調(diào)速控制。對于更為高級的設(shè)計，你可以尋找那些能用的現(xiàn)成芯片來完成交流感應電機的磁場定向控制。 　　 控制技術(shù)的進展，持續(xù)增長的能源效率需求，以及新型的實用化低成本DSP和微處理器等因素結(jié)合在一起，已經(jīng)顯著提高了無刷直流電機和交流感應電機的性能。無論是搭建自己的控制器，還是購買現(xiàn)成產(chǎn)品，知道如何實現(xiàn)這些新技術(shù)，對于優(yōu)化成本效益、縮減項目計劃時間都十分重要。