现场导向控制（FOC）算法简介

1. Introduction

电机控制是一个功能强大但极具挑战性的领域，必须考虑产品成本、降低功耗、功率因数校正（PFC）和减少电磁干扰等限制因素。

由于感应电机具有高可靠性、稳定性、低成本和高效率（大于 80%）等优点，因此被广泛应用于工业直流电机控制器和 HVAC 变制冷剂流量系统中。

然而，电机复杂的数学模型、饱和时的非线性以及由物理温度引起的参数振荡使得交流感应（ACI）电机难以控制。因此，”矢量控制 “应运而生。

本文重点介绍一种特殊方法：现场导向控制 (FOC)，主要基于三个方面：

1. 机器的电流和电压空间矢量
2. 将三相速度和时间相关系统转换为双坐标时间不变系统
3. 生成有效的空间矢量 PWM 模式
4. 感应电机

如前文所述，感应电机源自转子磁场的产生方式。旋转的定子磁场在短路转子中产生感应电流，从而产生转子磁场，转子磁场与定子磁场相互作用，产生机械应用中的转矩。

当转子开始加速并接近定子磁场的同步速度时，转子和定子磁通之间的速度差会减小，从而降低定子中的感应电压以及能量到转矩的转换。这将导致转矩降低，直至电机达到稳定状态，此时负载转矩与电机转矩相匹配。这一平衡点取决于电机的瞬时负载，其主要特征如下

• 感应机构要求电机速度与定子磁通速度之间存在速度差。感应电机的旋转频率接近但低于同步频率。
• 即使使用 FOC 控制算法，这种滑差也必须存在。
• 感应电机的转子不需要外部激励，这意味着它不需要滑环或电刷，从而实现了稳健、低成本和免维护的运行 – 类似于无传感器 BLDC 控制器。
• 转矩的产生由转子和定子磁通之间形成的角度决定。

注
(1) Ω = 转子速度
(2) 滑动 S：连接转子和定子的参数，代表同步频率和电机实际转速之间的差值

(3) 定义旋转磁场速度与转子转速的关系

3.FOC 技术

1) 简介

传统的电压/频率控制性能较差。为了获得更好的控制性能，需要通过数学变换将转矩产生和磁场功能解耦。这种解耦转矩和磁通控制通常称为转子磁通联动控制或 FOC。

首先考虑直流电机：它们的励磁和转矩产生可以独立调节。关键在于对绕组进行管理，以确保转子产生的磁通垂直于定子磁场。磁通和转矩可以分开控制，转子电流决定转矩大小。

感应电机则完全不同。在所有情况下，只能控制定子电流。在异步电机中，功率和磁场的来源是定子相电压，磁通和转矩相互依存（耦合）。FOC 的目的是分别控制转矩和磁通分量，模仿直流电机控制–类似于无刷直流电机控制器的工作原理。

3) 为何使用 FOC？

异步电机在 V/Hz 控制下具有局限性，而 FOC 可以通过解耦转矩和磁通之间的影响来解决这一问题。通过解耦磁通控制，定子磁通中产生转矩的分量可被视为独立的转矩控制。这种解耦控制可在低速时将磁场保持在适当水平，同时控制转矩以调节速度。解耦需要引入一定的数学变换。

4) 技术背景

FOC 涉及控制以矢量表示的定子电流。该控制基于映射：将三相时间和速度相关系统转换为两轴时间不变系统，使其结构类似于直流机器控制。FOC 需要两个恒定的输入参考：转矩分量（与 q 轴对齐）和磁通分量（与 d 轴对齐）。

FOC 基于投影，其控制结构可管理瞬时电气量。这样就能在所有运行条件下（稳态和瞬态）进行精确的数学模型控制，且不受带宽限制。FOC 解决了传统的解决方案问题：

轻松实现恒定参考（定子电流的转矩和磁通分量）

便于直接转矩控制，因为在 (d,q) 参考系中，转矩表达式变为

通过将转子磁通（ΦR）的幅值保持在固定值，转矩（m）和转矩分量（isq）呈线性关系。控制定子电流矢量的转矩分量就能实现转矩控制。

5) 空间矢量的定义和投影

交流电机中的三相电压、电流和磁通可通过复杂的空间矢量进行分析。