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

　　什么是磁場定向控制（矢量控制）？

　　磁場定向控制(FOC)是一種控制三相直流電機和步進電機的數(shù)學先進方法，可以在更高的速度下提供更高的效率和更準確的位置控制。FOC還具有為需要時使用電機的應(yīng)用提供定位反饋的額外好處。對于電動機，扭矩變化比簡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)。當電流垂直于轉(zhuǎn)子中的磁場時會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

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

　　磁場定向控制的優(yōu)點

　　在某些應(yīng)用中，BLDC電機和步進電機比其他電機更具優(yōu)勢。例如，與有刷電機相比，它們運行更安靜、更涼爽，運行更準確。與定子上帶有永磁體的有刷直流電機不同，BLDC電機在轉(zhuǎn)子上使用永磁體。

　　這種差異允許消除傳統(tǒng)上用于電動機的電刷。在沒有電刷的情況下，BLDC電機需要一些外部設(shè)備來打開和關(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電機中的電磁體的方法。

　　FOC與其他類型的電機控制相比具有優(yōu)勢，因為它在電機速度達到極限時顯著提高了效率。與霍爾效應(yīng)相比，它還具有實現(xiàn)更高最大速度的額外好處。由于FOC電機可以更高效地運行，因此FOC電機的運行溫度低于霍爾效應(yīng)驅(qū)動電機，這使得它們可以用于熱量對過程有害的許多不同應(yīng)用。

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

　　磁場定向控制如何工作？

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

　　所有電機都有一個稱為轉(zhuǎn)子的磁化旋轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)子周圍有一個電樞，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產(chǎn)生一個力，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不同，BLDC電機中的電磁體位于轉(zhuǎn)子上，而永磁體則放置在電樞上。

　　這種布置允許電機在不需要電機內(nèi)部的物理電刷的情況下運行。在沒有電刷的情況下，電機確實需要一個外部控制系統(tǒng)來切換電磁鐵的極性，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電機內(nèi)部極性的兩種方法。

　　正交力和磁通量

　　FOC通過改變電流來控制電機轉(zhuǎn)矩。然而，該過程比簡單地改變電流來改變轉(zhuǎn)矩值要復(fù)雜得多。當轉(zhuǎn)子在電樞內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，僅使用法向力來產(chǎn)生扭矩。正交力或磁通量是非正交電流，這兩個力值在電機中產(chǎn)生總轉(zhuǎn)矩值。

　　BLDC電機通常由定子中的三個永磁體組成，它們相距120度。當轉(zhuǎn)子的電磁鐵在定子上的永磁體內(nèi)部通電時，它會產(chǎn)生一個法向力。然后軸可以開始旋轉(zhuǎn)；在這個階段，軸上的力開始從正交或直接變?yōu)檎换蛲?。如果電磁鐵的狀態(tài)不變，當磁場達到平衡且磁通分量達到最大時電機將停止。

　　霍爾效應(yīng)傳感器

　　在沒有電刷的情況下，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)子位置和開關(guān)狀態(tài)。但是，霍爾效應(yīng)傳感器在切換電流值時會進行平方轉(zhuǎn)換；這就是效率低的地方。

　　這種方法雖然有效，但當電機速度達到最大值時會滯后。這會導(dǎo)致電機運行效率低下，相當于浪費了能源和熱量。

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

　　矢量控制

　　矢量控制使電流過渡平滑并不斷更新電磁體的狀態(tài)，因為它處于循環(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)測電流矢量的兩個分量：正交分量和通量分量。

　　通量的目標值為零，因此系統(tǒng)不斷波動，使通量值為零。隨著電機轉(zhuǎn)速的增加，磁通成為霍爾效應(yīng)控制的一個日益嚴重的問題，因為狀態(tài)切換的影響變得更加明顯。更高的電機速度是矢量控制的主要優(yōu)勢。由于控制單元不斷監(jiān)測和調(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。

　　場定向控制在哪里有用？

　　FOC可用于許多應(yīng)用，因為許多行業(yè)都使用BLDC電機。例如，由于其先進的位置數(shù)據(jù)，它們被用于控制機械臂的電機。FOC還有助于將冷庫應(yīng)用和溫度敏感過程等應(yīng)用中的多余熱量降至最低。

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

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