在現(xiàn)代電機(jī)控制領(lǐng)域，磁場定向控制（Field-Oriented Control, FOC）憑借其高效、精準(zhǔn)的特性，成為驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的核心技術(shù)。無論是工業(yè)機(jī)器人還是家用電器，F(xiàn)OC通過模擬直流電機(jī)的控制方式，將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁分量，顯著提升了動(dòng)態(tài)響應(yīng)與能效。根據(jù)是否依賴物理傳感器，F(xiàn)OC分為有感FOC與無感FOC，兩者各有優(yōu)劣，適用于不同場景。本文將深入解析其原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。
FOC的核心思想是通過坐標(biāo)變換（Clarke/Park變換），將三相交流電機(jī)的定子電流轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直軸（Id，勵(lì)磁分量）和交軸（Iq，轉(zhuǎn)矩分量）。在這個(gè)坐標(biāo)系中，Id和Iq分別對其進(jìn)行獨(dú)立控制，就如同控制直流電機(jī)一樣，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置和轉(zhuǎn)矩的精確控制。
有感 FOC 算法通常需要使用磁傳感器（如霍爾傳感器）、光學(xué)編碼器或磁編碼器等器件來精確感知電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度。其工作原理是基于磁場定向控制理論，通過傳感器獲取轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置信息，將電機(jī)的三相電流和電壓變換到以轉(zhuǎn)子磁場為定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq 軸）下進(jìn)行控制。該算法的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高、穩(wěn)定性好，能夠在各種工況下實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精準(zhǔn)定位和轉(zhuǎn)速控制，適用于對控制精度和動(dòng)態(tài)性能要求較高的場合，如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、航空航天等領(lǐng)域。但缺點(diǎn)是需要額外安裝傳感器，增加了系統(tǒng)的成本、復(fù)雜度和體積，同時(shí)傳感器的安裝和維護(hù)也需要一定的技術(shù)和成本。不過，有感FOC里面的傳感器及接口電路增加硬件成本，且占用安裝空間。同時(shí)，傳感器在震動(dòng)、油污等惡劣環(huán)境下易失效。
無感 FOC 算法則不需要使用專門的位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置，而是通過檢測電機(jī)的相電流、反電動(dòng)勢或其他電氣量，利用復(fù)雜的算法來估算電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度。常見的方法有基于反電動(dòng)勢法、定子磁鏈法、電感法等，也有采用位置觀測器和反正切或鎖相環(huán)（PLL）計(jì)算的組合來構(gòu)成位置觀測算法。無感 FOC 算法同樣是將電機(jī)的電流和電壓進(jìn)行坐標(biāo)變換，在 dq 軸坐標(biāo)系下進(jìn)行控制，但轉(zhuǎn)子位置和速度的獲取是通過對采樣數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析得到的。這種算法的優(yōu)勢在于降低了系統(tǒng)成本，提高了可靠性和抗干擾性，減少了電機(jī)體積和復(fù)雜度，適用于對成本敏感、安裝空間有限且對控制精度要求不是極高的場合，如家用電器、電動(dòng)工具、工業(yè)風(fēng)機(jī)等。不過，無感 FOC 算法的缺點(diǎn)是在低速時(shí)，由于反電動(dòng)勢較小，信號檢測和處理難度大，導(dǎo)致估算精度下降，控制性能不如有感 FOC 算法，且算法復(fù)雜度較高，對控制器的計(jì)算能力有一定要求。綜上所述，有感FOC和無感FOC之間的對比如下圖所示。
有感FOC和無感FOC關(guān)鍵參數(shù)對比面向未來，隨著芯片算力的提升與智能算法的演進(jìn)，無感FOC正逐步滲透至高端領(lǐng)域。例如，新能源汽車的冗余驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，無感方案可作為備份控制；而融合AI參數(shù)自整定技術(shù)，進(jìn)一步提升了無感FOC的適應(yīng)性。然而，在絕對精度與可靠性要求極高的場景（如航天、伺服），有感FOC仍是首選。 |
