FOC电机控制原理_FOC如何实现精准控制

无论作为哪种控制目标，都无非是一个闭环，还是两个、三个闭环的区别。那么，用FOC如何实现精准控制呢？

A FOC（Field-Oriented Control），即磁场定向控制，也称矢量变频，是目前无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）高效控制的最佳选择。FOC精确地控制磁场大小与方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。

FOC电机控制原理

电机控制的结构框图如图1所示。一个电机系统包括四个大部分：被控对象、控制器、执行器、反馈，硬件上分别对应电机、MCU、驱动电路、信号调理电路，这样就构成了一套反馈控制系统。

图1：电机控制结构框图 一套电机系统的完成主要包括以下两个方面：硬件电路的搭建以及控制算法的实现。硬件电路组成，如图2所示，一套电机系统硬件主要包括：MCU、功率器件（MOSFET/IGBT）、驱动电路、信号调理电路、保护电路。控制理论的组成如图3所示，主要是电机理论与控制算法，其中电机理论的学习让我们知道控制对象的外特性，而控制算法主要实现怎么控制好电机这个被控对象。

图2：硬件电路组成

图3：控制理论组成

FOC是如何实现精准控制的？

近年来，随着无刷直流电机（BLDC）大规模研发和技术的逐渐成熟，驱动系统也在不断的日益完善，在现实中的应用也是越来越多，其中包括工控电机、医疗设备，家用电器等领域。同样的，永磁同步电机也被越来越多的厂商所关注，譬如在轴流风机、空调风机、汽车动力驱动及转向等，都能找到它们的身影。

做控制的人都知道，任何的电机控制，无非有以下三种不同的控制目标：

1）位置控制：想让电机转多少度它就转多少度；

2）速度控制：想让电机转多快它就转多快；

3）力矩控制：想让电机出多少力它就出多少力； 无论作为哪种控制目标，都无非是一个闭环，还是两个、三个闭环的区别。以永磁同步电机作为例子，目前永磁电机常用的电机控制方式有三种：PWM控制（方波控制），SPWM控制（电压正弦控制），以及FOC控制（磁定向矢量控制）。PWM控制电流大、控制精度差、噪声也很大，SPWM控制采用电压正弦式控制，虽然噪声稍小，但控制精度一般，对成本也比较敏感，在同样变负载、动态响应要求高的应用，效果不好。那么，FOC控制如何呢？

1）当负载变化时，速度响应快速而精确；

2）马达的瞬时效率得到优化；

3）通过瞬时力矩控制能实现位置控制；

FOC磁定向控制，采用正弦波的控制方式，启动比较平稳，不仅解决了方波控制带来的噪声问题，而且它的控制方式是按照某种设定的关系分配的。通过将电机定子电流分解为励磁电流和转矩电流，从而能够在很大程度上提高电机速度控制的精准度。 同样的，相比方波控制、电压正弦控制，FOC矢量控制的控制精度，相比前面的两者高出20倍以上，同时它的噪声最小、控制多样化、算法也最为复杂，适用于更多性能要求高的场合。FOC能精准控制磁场大小和方向，使电机转矩平稳、效率高，并且能够高速动态响应。通过对电流大小的精准控制，能够实现电机转速5%~100%无级可调。 永磁同步电机，相比交流感应电机、变频电机等，因为以电子换向器取代了机械换向器，所以需要使用到驱动器的驱动电路。而永磁电机的换向电路，由驱动及控制两部分组成，是密不可分的。 但是这个简单的驱动，只能保证永磁同步电机基本的转动功能。要想实现下面这些功能，譬如说：PWM调速、FG信号输出、模拟信号调速、外接电位器调速、开闭环控制等其他功能，也就使用更加复杂的电路来实现。FOC控制作为一种新兴的电机技术，能够很好地将以上诸多的电机功能，轻松集成到控制器实现。