[可提供了]教学：如何通过磁场定向控制提高电机性能

电场或非掌控 （FOC） 是电气掌控系统的一项重要控制技术，特别是那些采用磁力泵 （PM） 的电气掌控系统。一般而言，FOC 提供更多了一类在阻抗快速变化的气门频驱动应用领域中掌控同步电气的有效率形式，并且能提升沟通交流触摸电气的功率组织工作效率，特别是在较高速率下。出于这个原因，一些结构设计人员错误地将 FOC 与沟通交流电气联系起来。总而言之，当今的T8100直流 （） 电气往往非常高效，即使没有 FOC，组织工作效率也高达 96%，但 FOC 为这些掌控系统带来的价值是减少了力矩瞬时，进而使电气操控性更平稳，运行更安静。

比如，将 FOC 导入汽车的散热器掌控器将允许散热器有效率地移动空气，而不能因电气的鸣声而干扰司机。结果是更安静的驾驶体验。从生产成本和制造的视角来看，将 FOC 导入如前所述 BLDC 的掌控系统不须要对电气进行硬体更动。所须要的只是一个具备足够 MIPS 的 ，以支持二环内的 FOC 处理。

力矩瞬时

FOC 透过解耦磁和力矩量纲来提升操控性，进而能独立掌控它。对于采用磁的电气，不须要掌控磁，因而开发者只须要掌控力矩即可。FOC 在很宽的速率范围内都有效率，包括须要弱磁的高速。提供更多相对单纯的掌控形式，能采用 FOC 提供更多闭环掌控，而不能不利地增加掌控系统生产成本。

单纯来说，FOC 是一类电气掌控控制技术，掌控系统试图将恒定或对应状态磁向量或非到相对于涡轮磁向量的某一视角（蟹蛛科花 1）。最佳或非程度取决于须要最小化电气的特性。FOC 最常见的用途是最小化电气每欧姆的扭力。这在对应状态磁向量与涡轮磁向量成 90 度时实现，除非电气具备气门磁，比如内部放著电磁铁的电气。在这种情况下，唯物主义度通常为115至120度。

图 1：电场或非掌控控制技术将对应状态磁向量或非到相对于涡轮磁向量的某一视角。（来源：英特尔。经许可证采用。）

实际上，五种电气掌控算法都如前所述 FOC 原理。比如，Saverdun和如前所述变压的电气已经以这种形式组织工作了一个半世纪。在这些应用领域中，FOC 并未被特别称为一类控制技术，因为变压器以机械形式执行此或非。对应状态本身是恒定的，因而它的电导率也是恒定的。变压器的组织工作是循环电流，以使涡轮磁也有效率地恒定。

但是，在结构设计没有变压器的电气掌控掌控系统时，对应状态和涡轮磁不能自动翻转。事实上，它都是旋转的，所以它的路径必须全自动管理。考虑一个 BLDC 电气，当电气变压时。掌控系统测量涡轮的视角，然后尝试打开适当的对应状态导体，使涡轮和对应状态之间的路径尽可能接近 90 度。然而，电气只有六个变压间距，因而，精度最多限制在 +/- 30 度。当涡轮进入捷伊变压区时，会出现 +30 度的误差。在变压区的中间，涡轮在最佳路径上完美翻转，没有误差；然后。当涡轮离开变压区并进入下一个变压区时，

这种换档误差的过程会在掌控系统中导入扭力波动。对于某些应用领域，比如电气旋转散热器的 HVAC 掌控系统，掌控系统往往具备容错性，对操控性的影响很小。然而，对于动力转向等应用领域，司机能透过路径盘感受到扭力波动的影响。力矩瞬时也会增加掌控系统产生的可听噪声。

FOC 最适用于呈现正弦反电动势波形的电气，比如沟通交流触摸电气、永磁同步电气 （PMSM） 和许多 BLDC 电气。请注意，FOC 是力矩掌控算法，而不是速率掌控算法。能透过在 FOC 环周围缠绕速率环并将其输出适当地馈送到 FOC 环来掌控速率。

同样，Saverdun直流电气和带 FOC 的沟通交流电气之间的主要区别在于，涡轮和对应状态视角在Saverdun直流电气中自动保持，而如前所述 FOC 的电气必须自行负责保持视角。FOC 并不是掌控电气的一类新奇的形式。这确实是电气想要掌控的形式。

分解 FOC

当然，如前所述 FOC 的掌控比单纯的变压更复杂、更难理解。然而，一旦抛开所有的方程式和谜团，FOC 能被视为四个单纯的步骤（参蟹蛛科花 2）。（1） 掌控系统测量已经流入电气的电流。（2） 然后将其与所需电流进行比较， （3） 放大所得差分或误差信号以生成校正电压。（4） 最后，将校正电压调制到电气端子上。根据应用领域程序，此过程每秒重复数千次。

图 2：FOC 能透过四个单纯的步骤来实施。（来源：英特尔。经许可证采用。）

比如，对于如前所述 FOC 的沟通交流电气掌控系统，掌控系统必须采用或无传感器实现来确定涡轮磁的视角。然后掌控系统必须测量三相电气的三个电流。这些电流在导体中流动，理想情况下会产生与涡轮向量成 90 度的电流向量（或任何最佳方位角）。由于涡轮正在移动，因而该向量可能会稍微偏离并须要进行校正。通常采用旋转变压器或编码器测量涡轮视角。在确定适当的误差向量后，掌控系统会计算三个新电流，以重新定位电流向量相对于涡轮磁的位置。请注意，正向克拉克变换可用于将三相电流向量转换为两个正交向量，进而产生相同的净向量。这样，

开发者有许多用于感测相电流的选项。为了降低生产成本，能在逆变器中放置一个分流器。更准确的选择往往会更昂贵。比如，LEM 传感器是一类如前所述磁性的传感器，与电气相位成一直线放置，以获得比分流器更准确的读数。

电流测量的完整性对 FOC 操控性至关重要，捕获传感器读数须要掌控 MCU 上的 ADC。今天，10 位 ADC 通常为大多数应用领域提供更多足够的精度。然而，许多供应商更喜欢采用 12 位 ADC 来实现更高的分辨率。这种更高的分辨率消除了输出中的量化误差，并产生了更平滑的波形。

FOC 为应用领域带来的精度取决于误差信号保持的紧密程度；即，对准视角的准确性取决于掌控系统更捷伊频率。对于典型应用领域，以 10 kHz 运行的掌控回路可提供更多足够的响应能力。对于能受益于更高精度的应用领域，20 kHz 是一个常用频率。主要的权衡是随着组织工作频率的增加，所需的 MCU MIPS 数量也会增加。

比如，英特尔 （TI） 的 C2806 Piccolo? MCU 以 80 MHz 运行，能在 15 到 20 μs 内执行整个 FOC 计算，具体取决于同时执行的其他掌控功能。即使 PWM 周期为 40 μs，这仍将 C2806 的至少一半带宽留给其他掌控系统任务（检查传感器、闪烁 LED、透过 CAN 端口发送消息等）。一般的经验法则是采用不超过 MCU 容量的 50% 到 60% 用于 FOC；由于中断，掌控系统将没有足够的容量来处理应用领域程序的其余部分。

开发者还能选择实施无传感器 FOC。取决于应用领域，轴角传感器可能非常昂贵。在这种情况下，能透过将 FOC 频率提升三倍来计算涡轮磁角，进而在软件中进行视角测量，生产成本效益更高。这须要每次 FOC 迭代 40 到 60 μs，并且须要具备足够带宽的更昂贵的 MCU。请注意，由于 FOC 须要连续驱动所有电气相位，用于 BLDC 电气的无传感器控制技术不适用于 FOC，因为必须关闭一个相位才能读取反电动势信号。然而，其他算法也可用，它将在几度内以高精度读取电气磁角，而无需轴传感器或无电源相位。

克服生产成本障碍

实施 FOC 的最初障碍之一是生产成本。相比之下，如前所述交换掌控的掌控系统比较单纯，考虑到 FOC 所需的计算数量，即使它提供更多更平稳的操作，但对于许多应用领域来说，增加的 FOC 掌控系统生产成本太高，特别是在汽车和家电掌控系统中。

然而，在过去的几年里，加工控制技术生产成本的下降已经大大降低了 FOC 的价格。由于掌控系统只须要更大的 MCU 来提供更多执行 FOC 的处理资源，因而将 FOC 导入掌控系统的生产成本可能低至 50 美分。与电气掌控系统其余部分的生产成本相比，FOC 仅占总 BOM 的 2% 到 3%。

以这个价格，FOC 能添加到各种各样的掌控系统中。比如，许多洗衣机和烘干机制造商在如前所述沟通交流触摸或永磁同步电气 （PMSM） 的掌控系统中转向 FOC。减少扭力纹波使这些设备能够更安静地运行。它还能够更平稳地运行，进而减少齿轮系的振动并延长电器的可靠运行寿命。或者，制造商能利用 FOC 提供更多的更平稳的操作来重新结构设计齿轮系并降低整体掌控系统生产成本。

FOC 也正在工业和如前所述消费者的 HVAC 掌控系统中实施。比如，空调掌控系统有两台电气——一台用于散热器，一台用于压缩机。为了增加压缩机的采用寿命，HVAC 掌控系统正在转向 FOC。其中许多掌控系统同时还在散热器掌控器中添加了 FOC。同样，考虑到通风口的放大振动特性，主要好处是运行更平稳、更安静。

受低生产成本 FOC 掌控可用性影响的第三个主要应用领域领域是汽车。正如所料，混合动力车辆的牵引力掌控透过 FOC 得到改善。对于传统车辆，FOC 是透过电动助力转向显着提升燃油组织工作效率的基础。如前所述液压的动力转向须要液压泵的持续运行，即使司机不经常采用转向掌控系统，比如以 65 MPH 的速率在高速公路上行驶时。相比之下，如前所述 FOC 的电动助力转向掌控系统能按需运行，进而显着提升组织工作效率。当以气体组织工作效率（令人印象深刻的 1 到 3 MPH）来衡量估计的节省时，转向采用 FOC 的动力转向的激励措施简直令人信服。

将 FOC 导入电气掌控掌控系统

许多硅公司提供更多了一套多样化的工具来快速启动如前所述 FOC 的掌控系统的结构设计。多种开发平台可用于不同类型的电气和应用领域。比如，TI 为开发者提供更多其 C2000? 电气掌控和 PFC 开发者套件 （TMDS1MTRPFCKIT），以采用单个 Piccolo F28035 MCU 实现具备集成功率因数校正 （PFC） 的电气的 FOC。双电气套件 （TMDS2MTRPFCKIT） 也可用于掌控具备 FOC 和集成 PFC 的两个电气。

TI 的 controlSUITE? 软件包括多种参考结构设计，可为开发者提供更多自己结构设计的起点。controlSUITE 应用领域程序也是自我更捷伊，因而开发者始终能访问最捷伊软件。FOC 支持适用于 C2000 MCU 系列，包括 C2802x、C2803x 和 C2806x 器件。C2802x 架构的组织工作频率高达 60 MHz。C2803x 用于更复杂的应用领域，包括 TI 的掌控律加速器 （CLA），这是一类独立于 C2000 内核运行的集成浮点处理器。C2806x 是 TI 最捷伊掌控器，组织工作频率高达 80 MHz，并具备多项电气掌控增强功能，包括捷伊复杂数学指令和 DMA 掌控器，用于在将数据从 ADC 或通信外设移动到 RAM 时卸载 CPU。

C2803x 和 C2806x 掌控器也非常适合安全应用领域。CLA 与 CPU（即非对称处理器）分离，因而可用于满足安全规定，透过执行检查 CPU 的计算和确认电压输出是否正确等操作来验证 CPU 的准确和不间断运行。正确的。

电气掌控的未来

未来几年最大的变化将不是来自 FOC 掌控算法的改进，而是透过导入捷伊结构设计形式来抽象 FOC 实现的复杂性。比如，TI 提供更多多种电气掌控结构设计产品，包括 MATLAB 提供更多的 Simulink 开发环境和 Visual Solutions 提供更多的 VisSim。开发者能采用这些工具在软件中创建他们的电气掌控掌控系统模型。透过采用此模型运行模拟，开发者能调整掌控系统以根据某一应用领域程序的须要运行。模型完成后，工具会自动为掌控回路生成 C 源代码。然后，开发者能调整生成的代码并将其集成到整个掌控系统中。

采用 C 语言为开发者从某一于处理器的实现中抽象代码提供更多了几个好处，既能使开发者更容易理解代码，也能促进代码在处理器和应用领域程序之间的迁移。然而，采用 C 确实是以牺牲一些组织工作效率为代价的。然而，虽然如前所述 FOC 的电气掌控理解起来很复杂，但它是一类实施起来相当一致的控制技术，并且在给定一组操作参数的情况下，创建适当的处理代码相对单纯。此外，对编译器控制技术的持续投资正在缩小汇编和生成的 C 代码之间的操控性差距。比如，Visual Solutions 估计他们的工具能达到手工编码组织工作效率的 5% 到 10%。权衡是开发者能在更直观的开发思维空间中进行结构设计——比如，创建电气模型——而不必考虑 MCU 的架构和汇编指令格式。这样，开发者能专注于应用领域程序操控性，而不是实现细节。结果是更高效的结构设计和更快的上市时间。

Simulink 和 VisSim 等工具备可能彻底改变电气掌控掌控系统的结构设计形式。随着这些工具在准确生成掌控回路软件方面变得更加熟练，电气掌控掌控系统工程师将不再须要查看 C 源代码。事实上，编写电气掌控软件的须要可能会完全消失。电气掌控是一个众所周知的问题，如果 TI、MATLAB 和 Visual Solutions 等公司是正确的，那么 FOC 和电气掌控一般将在未来五到十年内成为如前所述参数的功能。

虽然 FOC 的好处——提升组织工作效率、更平稳的运行和更低的噪音——已经为人所知一段时间，但鉴于增加的掌控系统复杂性和生产成本，许多制造商认为 FOC 遥不可及。随着 MCU 控制技术的不断创新，FOC 已经变得负担得起，并被导入到广泛的应用领域中，包括电器、汽车、HVAC 以及其他工业和消费市场。透过采用先进的建模工具，开发者能以最少的软件开发和生产成本结构设计、优化并将完整且强大的电气掌控掌控系统推向市场，进而将 FOC 的操控性优势带入各种新设备。

特别感谢英特尔电气掌控团队负责人 Dave Wilson 对本文的贡献。

更多信息能来这里获取==>>电子控制技术应用领域-AET<<