FOC电机控制原理_FOC如何实现精准控制

出处:贸泽电子设计圈 发布于:2020-12-02 15:08:59

  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  选择。FOC  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  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  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  ;

  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  ,相比前面的两者高出20倍以上,同时它的噪声  、控制多样化、算法也  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。


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