无刷直流电机的磁场定向控制（矢量控制）
磁场定向控制（FOC）也称为矢量控制，可以控制三相交流电机和无刷直流电机。阅读更多内容以了解其优势、工作原理及其最佳应用。
什么是磁场定向矢量控制？
磁场定向控制 (FOC) 是一种控制三相直流电机和步进电机的先进数学方法，可在更高的速度和更精确的位置控制下提供更高的效率。FOC 还具有额外的优势，即如果需要使用电机的应用，可以提供定位反馈。
对于电动机，扭矩的变化比简单地改变电流更难产生，尽管乍一看这可能是最明显的假设。当电流垂直于转子中的磁场时产生 扭矩。
图 1.磁场定向控制图。该策略也用于变频驱动 (VFD) 系统。框图包括 PWM 发生器和用于为 PI 控制器提供反馈的编码器。图片由Performance Motion Devices提供
FOC（即矢量控制）最常用于无刷直流 (BLDC)或使用永磁体的直流电机。转子的位置和磁场的相位需要是已知的实体才能向电机轴提供扭矩。
这可以通过不同的方法来完成。本文将探讨霍尔效应传感器，以与矢量控制进行比较。比较将有助于显示 BLDC 电机矢量控制的优点和缺点。
磁场定向控制有哪些优点？
在某些应用中，BLDC 和步进电机比其他电机具有优势。例如，它们比有刷电机运行更安静、更凉爽，并且运行更精确。与有刷直流电机在定子上使用永磁体不同，BLDC 电机在转子上使用永磁体。
这种差异可以消除传统上用于电动机的电刷。如果没有电刷，BLDC 电机需要一些外部设备来打开和关闭转子中的电磁体。FOC 或霍尔效应控制是可用于控制 BLDC 电机中电磁体的两种方法。
图 2.无刷直流 (BLDC) 电机，显示产生旋转磁场的励磁绕组。图片由自动化推进协会提供
FOC 比其他类型的电机控制具有优势，因为当电机速度达到极限时，它的效率会显着提高。与霍尔效应相比，它还具有实现更高最高速度的额外好处。由于采用 FOC 的电机可以更高效地运行，因此 FOC 电机的运行温度比霍尔效应驱动的同类电机要低，这使得它们可以用于许多不同的应用，其中热量的产生会对过程产生不利影响。
BLDC 电机能够进行更精确的定位和电机控制，使其适合高精度应用，例如机器人和自动化控制所需的应用。
FOC 如何用于无刷直流 (BLDC) 电机？
BLDC 和步进电机是多相电机，它们需要外部控制单元才能正常运行。为了更好地理解电机类型及其控制系统之间的差异，我们需要了解电机工作的基本原理。
所有电机都有一个磁化旋转轴，称为转子。转子被电枢包围，电枢也以某种方式被磁化。电枢和转子之间的极性差异产生使转子在电枢内旋转的力。与在电枢上使用电磁体的有刷电机不同，BLDC 电机中的电磁体位于转子上，永磁体放置在电枢上。
这种布置允许电机在电机内部不需要物理电刷的情况下运行。如果没有电刷，电机确实需要外部控制系统来切换电磁体的极性，以使转子旋转一整圈。如前所述，霍尔效应控制和 FOC 是从外部控制 BLDC 电机内部极性的两种方法。
正交力和磁通量
FOC 通过改变电流来控制电机扭矩。然而，这个过程比简单地改变电流来改变扭矩值更复杂。当转子在电枢内部旋转时，仅使用正交力来产生扭矩。正交力或磁通是不正交的电流，这两个力值产生电机内的总扭矩值。
图 3.发电机中的磁通量。当电枢（中心）通过风或水旋转时，永磁体的磁通量驱动电流。电枢连接到提供单一输出极性的电刷。
BLDC 电机通常由三个位于定子中且间隔 120 度的永磁体组成。当转子的电磁体在定子上的永磁体内部通电时，会产生正交力。然后轴就可以开始旋转；在此阶段，轴上的力开始从正交或直接变为正交或通量。如果电磁体的状态不改变，当磁场达到平衡且磁通分量最大化时，电机将停转。
霍尔效应传感器
如果没有电刷，外部控制单元必须切换电磁体的磁性状态以最大化正交电流矢量。霍尔效应传感器可用于发出转子位置和开关状态信号。然而，霍尔效应传感器在切换电流值时会发生方形转变；这就是效率低下的地方。
虽然这种方法有效，但当电机速度达到最大值时，它会滞后。这会导致电机运行效率低下，相当于浪费能量和热量。
FOC 比其更简单的霍尔效应控制更有效。然而，它需要使用霍尔效应传感器或电机编码器。
矢量控制
矢量控制可以实现电流的平滑过渡，在其循环过程中不断更新电磁体状态，而不是遵循方波。该位置被转发到 FOC 控制模块。必须监控电流矢量的两个分量：正交分量和磁通分量。
图 4. FOC 也称为矢量控制。图片由TRINAMIC提供
通量目标值为零，因此系统不断波动，使通量值为零。随着电机速度的增加，磁通成为霍尔效应控制的一个日益严重的问题，因为状态切换的影响变得更加明显。较高的电机速度是矢量控制的主要优势。由于控制单元不断监控和调整以确保磁通矢量为零，因此可以实现接近最大的速度和效率。
磁场定向控制在哪里有用？
FOC 对于许多应用都很有用，因为许多行业都使用 BLDC 电机。
高效率的温度控制
FOC 因其先进的位置数据而被用于控制机械臂的电机中。FOC 在需要将多余热量降至最低的应用中也很有帮助，例如冷藏应用和温度敏感过程。
低噪音、低振动
由于矢量控制电机没有电刷，接触部件最少，大大降低了电机发出的噪音。这使得使用矢量控制的电机适合低噪声、低振动应用。
FOC 可实现安静、高效的电机控制
FOC（即矢量控制）是控制 BLDC 电机的最有效方法之一。与其他控制方法相比，这些选项具有许多明显的优势，从而实现安静、高效的电机，提供更长的使用寿命并减少磨损部件。
此外，BLDC 电机可以非常精确地控制，使其适合高精度应用以及需要电机不会产生太多热量的应用。