FOC（Field-Oriented Control）算法的核心價(jià)值在于通過坐標(biāo)變換與解耦控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁通量的獨(dú)立調(diào)節(jié)。其具體原理可通過模塊框圖的功能推導(dǎo)如下：
永磁同步電機(jī)（PMSM）無傳感器 FOC 控制的核心邏輯框架
1.解耦控制：將耦合三相電流轉(zhuǎn)化為獨(dú)立轉(zhuǎn)矩 / 磁通量分量
FOC 框圖的核心在于克拉克變換（Clarke Transformation，三相靜止坐標(biāo)系→兩相靜止坐標(biāo)系）和帕克變換（Park Transformation，兩相靜止坐標(biāo)系→兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系），這兩種變換的本質(zhì)是數(shù)學(xué)解耦：
三相定子電流（Ia, Ib, Ic）通過克拉克變換轉(zhuǎn)換為兩相靜止電流（Iα, Iβ）；
再通過派克變換轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩分量 Iq 和磁通量分量 Id（與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向一致）。
由于 Iq 和 Id 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中為直流分量，可通過獨(dú)立 PI 控制器分別調(diào)節(jié)（類似直流電機(jī)中電樞電流與勵(lì)磁電流的控制），徹底解決三相交流電機(jī)中 “轉(zhuǎn)矩與磁通量耦合” 的問題。
2.精準(zhǔn)調(diào)節(jié)：轉(zhuǎn)矩與磁通量的獨(dú)立 PI 控制
框圖中 Iq 和 Id 的獨(dú)立 PI 控制器是 FOC 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的關(guān)鍵：
Iq 環(huán)（轉(zhuǎn)矩環(huán)）：直接控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)極快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（如負(fù)載突變時(shí)，Iq 可在 10ms 內(nèi)調(diào)節(jié)至目標(biāo)值）；
Id 環(huán)（磁通量環(huán)）：控制定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的夾角（始終保持 90°），最大化 “轉(zhuǎn)矩 / 電流比”（即相同電流下輸出更高轉(zhuǎn)矩），同時(shí)避免磁飽和。
3.正弦輸出：將解耦分量還原為三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)
經(jīng) PI 調(diào)節(jié)后，Iq 和 Id 通過反派克變換回到兩相靜止坐標(biāo)系（Iα, Iβ），再通過 SVPWM（空間矢量 PWM）生成正弦三相電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器輸出穩(wěn)定三相電流：
與方波控制相比，正弦電流可消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)（波動(dòng) < 1%），降低電機(jī)振動(dòng)與噪音；
與標(biāo)量控制（V/F 控制）相比，F(xiàn)OC 的正弦輸出使電機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍（5%～100% 額定轉(zhuǎn)速）保持高效率（效率 > 95%）。
4.動(dòng)態(tài)響應(yīng)與多模式適配
FOC 框圖還體現(xiàn)了 “速度環(huán) - 轉(zhuǎn)矩環(huán) - 電流環(huán)” 的三閉環(huán)級(jí)聯(lián)控制：
最外層速度環(huán)根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速（如電位器給定）輸出轉(zhuǎn)矩指令；
中間轉(zhuǎn)矩環(huán)（Iq 環(huán)）將轉(zhuǎn)矩指令轉(zhuǎn)換為電流指令；
最內(nèi)層電流環(huán)（Iq、Id 環(huán)）直接控制電機(jī)輸入電流。
該結(jié)構(gòu)使 FOC 支持轉(zhuǎn)矩模式、速度模式、位置模式等多場(chǎng)景需求，具備極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力（如電梯啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)）。
總結(jié)：FOC 算法的不可替代性
FOC 是唯一實(shí)現(xiàn) “轉(zhuǎn)矩與磁通量解耦 + 精準(zhǔn) PI 調(diào)節(jié) + 正弦輸出” 的算法，使其在性能（轉(zhuǎn)矩精度、調(diào)速范圍）、效率（節(jié)能）和可靠性（低振動(dòng)、低噪音）上遠(yuǎn)超傳統(tǒng)控制方法（如標(biāo)量控制、方波控制），成為中高端 PMSM 控制的首選方案。 |
