磁場(chǎng)定向控制（FOC），又稱(chēng)矢量控制，可以控制三相直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)；閱讀更多內(nèi)容以了解其優(yōu)勢(shì)、工作原理和最佳應(yīng)用。

　　什么是磁場(chǎng)定向控制（矢量控制）？

　　磁場(chǎng)定向控制(FOC)是一種控制三相直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)先進(jìn)方法，可以在更高的速度下提供更高的效率和更準(zhǔn)確的位置控制。FOC還具有為需要時(shí)使用電機(jī)的應(yīng)用提供定位反饋的額外好處。對(duì)于電動(dòng)機(jī)，扭矩變化比簡(jiǎn)單地改變電流更難產(chǎn)生，盡管乍一看這可能是最明顯的假設(shè)。當(dāng)電流垂直于轉(zhuǎn)子中的磁場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

　　FOC或矢量控制最常用于使用永磁體的無(wú)刷直流(BLDC)或直流電機(jī)。轉(zhuǎn)子的位置和磁場(chǎng)的相位需要是已知實(shí)體，以向電機(jī)軸提供扭矩。這可以通過(guò)不同的方式完成。本文將介紹霍爾效應(yīng)傳感器，以便與矢量控制進(jìn)行比較。這種比較將有助于顯示BLDC電機(jī)矢量控制的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　磁場(chǎng)定向控制的優(yōu)點(diǎn)

　　在某些應(yīng)用中，BLDC電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)比其他電機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。例如，與有刷電機(jī)相比，它們運(yùn)行更安靜、更涼爽，運(yùn)行更準(zhǔn)確。與定子上帶有永磁體的有刷直流電機(jī)不同，BLDC電機(jī)在轉(zhuǎn)子上使用永磁體。

　　這種差異允許消除傳統(tǒng)上用于電動(dòng)機(jī)的電刷。在沒(méi)有電刷的情況下，BLDC電機(jī)需要一些外部設(shè)備來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉轉(zhuǎn)子中的電磁鐵。FOC或霍爾效應(yīng)控制是兩種可用于控制BLDC電機(jī)中的電磁體的方法。

　　FOC與其他類(lèi)型的電機(jī)控制相比具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗陔姍C(jī)速度達(dá)到極限時(shí)顯著提高了效率。與霍爾效應(yīng)相比，它還具有實(shí)現(xiàn)更高最大速度的額外好處。由于FOC電機(jī)可以更高效地運(yùn)行，因此FOC電機(jī)的運(yùn)行溫度低于霍爾效應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這使得它們可以用于熱量對(duì)過(guò)程有害的許多不同應(yīng)用。

　　BLDC電機(jī)可以進(jìn)行更精確的定位和電機(jī)控制，使其適用于高精度應(yīng)用，例如機(jī)器人和自動(dòng)化控制所需的應(yīng)用。

　　磁場(chǎng)定向控制如何工作？

　　BLDC和步進(jìn)電機(jī)是多相電機(jī)它們需要外部控制單元才能正常運(yùn)行。為了更好地理解電機(jī)類(lèi)型及其控制系統(tǒng)之間的差異，我們需要了解使電機(jī)工作的基本原理。

　　所有電機(jī)都有一個(gè)稱(chēng)為轉(zhuǎn)子的磁化旋轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)子周?chē)幸粋€(gè)電樞，該電樞也以某種方式被磁化。電樞和轉(zhuǎn)子之間的極性差異會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力，使轉(zhuǎn)子在電樞內(nèi)旋轉(zhuǎn)。與在電樞上使用電磁體的有刷電機(jī)不同，BLDC電機(jī)中的電磁體位于轉(zhuǎn)子上，而永磁體則放置在電樞上。

　　這種布置允許電機(jī)在不需要電機(jī)內(nèi)部的物理電刷的情況下運(yùn)行。在沒(méi)有電刷的情況下，電機(jī)確實(shí)需要一個(gè)外部控制系統(tǒng)來(lái)切換電磁鐵的極性，使轉(zhuǎn)子完全旋轉(zhuǎn)。如前所述，霍爾效應(yīng)控制和FOC是從外部控制BLDC電機(jī)內(nèi)部極性的兩種方法。

　　正交力和磁通量

　　FOC通過(guò)改變電流來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。然而，該過(guò)程比簡(jiǎn)單地改變電流來(lái)改變轉(zhuǎn)矩值要復(fù)雜得多。當(dāng)轉(zhuǎn)子在電樞內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，僅使用法向力來(lái)產(chǎn)生扭矩。正交力或磁通量是非正交電流，這兩個(gè)力值在電機(jī)中產(chǎn)生總轉(zhuǎn)矩值。

　　BLDC電機(jī)通常由定子中的三個(gè)永磁體組成，它們相距120度。當(dāng)轉(zhuǎn)子的電磁鐵在定子上的永磁體內(nèi)部通電時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)法向力。然后軸可以開(kāi)始旋轉(zhuǎn)；在這個(gè)階段，軸上的力開(kāi)始從正交或直接變?yōu)檎换蛲?。如果電磁鐵的狀態(tài)不變，當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到平衡且磁通分量達(dá)到最大時(shí)電機(jī)將停止。

　　霍爾效應(yīng)傳感器

　　在沒(méi)有電刷的情況下，外部控制單元必須切換電磁鐵的磁性狀態(tài)，以最大化正交電流矢量。霍爾效應(yīng)傳感器可用于指示轉(zhuǎn)子位置和開(kāi)關(guān)狀態(tài)。但是，霍爾效應(yīng)傳感器在切換電流值時(shí)會(huì)進(jìn)行平方轉(zhuǎn)換；這就是效率低的地方。

　　這種方法雖然有效，但當(dāng)電機(jī)速度達(dá)到最大值時(shí)會(huì)滯后。這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行效率低下，相當(dāng)于浪費(fèi)了能源和熱量。

　　FOC比其簡(jiǎn)單的堂兄霍爾效應(yīng)控制更有效。但是，它需要使用霍爾效應(yīng)傳感器或電機(jī)編碼器。

　　矢量控制

　　矢量控制使電流過(guò)渡平滑并不斷更新電磁體的狀態(tài)，因?yàn)樗幱谘h(huán)中而不是跟隨方波。該位置被傳送到FOC控制模塊。必須監(jiān)測(cè)電流矢量的兩個(gè)分量：正交分量和通量分量。

　　通量的目標(biāo)值為零，因此系統(tǒng)不斷波動(dòng)，使通量值為零。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，磁通成為霍爾效應(yīng)控制的一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)闋顟B(tài)切換的影響變得更加明顯。更高的電機(jī)速度是矢量控制的主要優(yōu)勢(shì)。由于控制單元不斷監(jiān)測(cè)和調(diào)整以確保磁通矢量為零，因此有可能接近最大速度和效率。

　　場(chǎng)定向控制在哪里有用？

　　FOC可用于許多應(yīng)用，因?yàn)樵S多行業(yè)都使用BLDC電機(jī)。例如，由于其先進(jìn)的位置數(shù)據(jù)，它們被用于控制機(jī)械臂的電機(jī)。FOC還有助于將冷庫(kù)應(yīng)用和溫度敏感過(guò)程等應(yīng)用中的多余熱量降至最低。

　　由于矢量控制電機(jī)中沒(méi)有電刷，接觸部件極少，大大降低了電機(jī)發(fā)出的噪音。這使得使用矢量控制的電機(jī)適用于低噪音和低振動(dòng)應(yīng)用。

　　FOC或矢量控制是控制BLDC電機(jī)的最有效方法之一。與其他控制方法相比，這些選項(xiàng)提供了許多明顯的優(yōu)勢(shì)，從而使電機(jī)更安靜、更高效、使用壽命更長(zhǎng)、易損件更少。此外，BLDC電機(jī)可以非常精確地控制，使其適用于高精度應(yīng)用和那些要求電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多熱量的應(yīng)用。