在您的伺服系统中获得了面向现场的控件？本文包括在线材料。
磁场定向控制，有时被称作磁通矢量控制是使得能够从永久磁铁（PM）在其整个速度范围最高性能的同步（或无刷伺服）马达的方法。FOC算法建模直流电动机的转矩产生效率，并允许线性转矩控制。
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磁场定向控制，有时被称作磁通矢量控制是使得能够从永久磁铁（PM）在其整个速度范围最高性能的同步（或无刷伺服）马达的方法。FOC算法建模直流电动机的转矩产生效率，并允许线性转矩控制。
在与AC感应电机，为此，该技术是西门子首次开发超过30年前由费利克斯·布拉施克连接更好地了解，FOC可从许多厂家为无刷伺服电机，尚未被广泛吹捧。FOC有不同的口味和标签名称，就像感应电机的矢量控制。（了解更多关于FOC并在www.globalelove.com在线侧边栏替代的控制方法。）
为了最高的性能
基于FOC数字驱动器被认为是“标准”的票价为无刷直流电动机（和其它类型的电机）博世力士乐公司，电力驱动和控制，以满足较高的定位精度，功率密度，速度的要求，并且效率不可能与传统控制类梯形或正弦换。
“通过面向现场的控制，当前向量被控制在其优化的方向上，导致最大化的扭矩具有最小化的损失，”Peter Fischbach，Manager，组件销售说。“使用传统的控制方法，不可能使用电压限制和现场弱化期间的安全操作。”
Fischbach将各种优势归功于克服早期控制的固有局限性。博世Rexroth最新的FOC设计，第五代多变量电流控制系统，据报道，低速（下至0 rpm）提供高扭矩，扭矩纹波小于0.5％;高效率，即使高速;电压限制和现场弱化期间完全控制。除其他好处之外，他还引用了：
0.2毫秒下的扭矩和电流响应时间;和
电流控制器带宽大于2,000 Hz。
Copley Controls Corp.的动议产品技术总监Charles Rollmans，区分了Foc从SinUnoidal换向（见“替代品”部分）。在后一种方法中，通过正弦波形调制命令电流以在电动机定子中产生旋转磁场;然而，他解释说，正弦波频率是速度有限的。在更高的速度下，它会导致电流滞后，导致磁场的未对准，导致电动机加热和速度限制。
FOC通过在转子的d-q参考系中直接控制当前的空间矢量来解决这个问题，理想地固定矢量的大小和相对于转子的正交方向(90°)-独立于旋转。PI控制器是基于直流信号，而不是正弦信号。对于磁场定向控制，电流控制的质量在很大程度上不受电机速度的影响。
为了实现FOC，必须进行各种参考系转换，涉及复杂的计算。在两个PI控制器进行处理之前，测量的电机电流首先从定子绕组的三相静态参考系转换为两轴旋转的d-q参考系(见FOC图)。处理d(直流)电流分量的控制器被驱动到零，迫使当前空间矢量完全在所需的求积方向上。第二个PI控制器作用于电流的q(正交)分量并跟踪转矩命令，Rollman解释道。
两个PI控制器的输出表示相对于转子的电压空间向量。一系列的反向转换，然后将这些信号转换回定子的参考框架，三相PWM调制器输出到电机。FOC的成功依赖于有效地进行这些转换。Rollman认为高性能处理器可以实现这一任务。近年来，数字信号处理器(dsp)的广泛应用帮助推进了伺服系统的FOC。
强调电流控制和换向过程序列中Foc和正弦换向之间的重要架构差异，Rollman解释说，电流的PI控制首先在FOC中发生，然后是快速换向过程。对于正弦换向，反向是正确的。因此，“PI控制器与时变电流和电压隔离，并且该系统不受PI控制环带宽和相移的限制”。
安静地在工作
西门子同样地倡导PM同步伺服电机，但粉丝很少有关命名。
“面向现场控制基于将时间依赖三相定子系统转换为时间不变的D-Q参考帧，”马林斯·戈茨（Martin Gertz），Martin Gertz，Siemens Energy＆Automation进行了解释说明。该旋转系统具有两个正交电流向量：一个平行的和一个与转子场垂直。由于只有后一组件产生有用的扭矩，因此并联部件被调节为零，并且空间向量保持在正交方向上。“[最终]转换回三相系统导致通过脉冲宽度调制的正弦定子电流，没有当前空间向量的相位误差，”Gertz说。
Simovert Masterdrives Motion Control和Simodrive 611U从Siemens使用FOC专门控制PM同步电机。这些伺服驱动器使用高达10 kHz的高脉冲频率，从而控制振荡扭矩而无需阻尼笼。根据西门子，它满足了以最高动态响应和精确度的循环时间要求极短的循环时间。
| 面向现场的控制允许PI控制器在转子的D-Q参考帧中操作，从正弦电机电流和电压变化隔离，以高速和低速变化。 |
艾默生控制技术(ECT)多年前也将FOC悄悄地应用于无刷伺服电机。当时它推出了Unidrive，一种用于多种电机类型的所谓“通用”驱动。(ECT将这种算法应用于感应电机的时间要长得多。)美国控制技术工业驱动器产品线经理Alex Harvey说:“FOC嵌入了我们的伺服驱动器，但没有特别推广。”
他提到反馈设备是FOC成功使用无刷伺服电机的另一个重要因素。UnidriveSP是Unidrive系列中的最新产品，支持增量式和绝对式编码器、解析器和更新的SinCos反馈等。Harvey说:“对于高性能应用来说，通常使用提供超过50万等效线路/转数反馈的绝对设备。当然，绝对装置也消除了在通电后耗时的机器自导的需要。
面向现场控制的另一个支持者，Delta Tau数据系统，增强了它的无刷伺服电机（以及感应电动机）的控制算法，以10年前包括数字电流循环闭合。“我们将”定子框架“中的相电量测量转换为旋转的”场框架“，其中值为DC数量，解释说，”工程研究副总裁柯蒂斯威尔逊“。“这消除了与交流电流循环相关的高频问题。”
虽然这些算法继续适合大部分三角洲的客户，但Wilson引用了特殊用户的最新创新，如“现场弱化”技术从感应电机矢量控制借用，允许对伺服电机的扭矩/速度曲线进行重大变化。他还提到了最近对同步伺服电机启动的提前，这需要绝对相位参考。在过去，这意味着在“逐步搜索”上电时使用昂贵的绝对传感器或大量电机运动。“我们现在正在采用励磁技术，该技术利用铁芯的磁饱和度，以建立不需要运动的相位参考，”添加威尔逊。
罗克韦尔自动化认为面向现场的控制控制无刷电机的伺服驱动器的一个组成部分。采用FOC的示例产品包括如Ultra3000的较低功率伺服电源，单轴230/460 V驱动器，具有22千瓦（30 HP）最大输出 - 最近引入的Multiaxis Kinetix 6000驱动器为230/460 V输入和额定输出为7.5 kW，将延伸到22 kW到2004年底。即使是这样，典型的规范文献中缺少FOC的参考，在其他性能特征的曲目中，例如数字接口，高带宽，高分辨率反馈选项和软件。
罗克韦尔自动化标准驱动产品线经理科里·莫顿(Corey Morton)指出，该公司在交流感应电机的FOC方面有额外的经验。他提到了PowerFlex 700S交流驱动器，额定功率为0.37-250 kW，设计用于控制感应和无刷电机。该驱动器的参考文献中引用了FOC，但您必须深入一点才能找到它。Morton还提到了FOC算法的发展，包括无传感器操作，这是PowerFlex 700S中可用的一种控制模式。
Baldor Electric Co.将不同的控制方法应用于无刷同步电机以满足特定的应用需求。其全功能FlexDriveII和MintdriveII使用Foc来获得通常在高性能伺服定位应用中所需的扭矩和速度调节。
伺服产品经理John Mazurkiewicz认为交流无刷同步电机的FOC和正弦换向之间只有微不足道的差异。“有了FOC，电机的数学模型可以通过分离电流需求中的磁通和产生扭矩的部件来实现。它允许对每个组件进行独立监测和控制，”Mazurkiewicz说。正弦换向自然地提供了产生磁通和转矩的电流元件的正确解耦。他补充说，FOC通过降低反电动势来减弱磁场，从而提供更高的转子速度(超过可用的母线电压)。
主板和芯片级
国际整流器(IR)数字控制IC设计中心工程总监Toshio Takahashi表示:“磁场定向是实现交流电机(包括感应电机和永磁电机)线性转矩调节的唯一方法。IR毫无保留地热衷于FOC。它认为FOC是新设计的“关键技术”，甚至是替代现有设计的“关键技术”。高桥表示:“自由作战能力的实施成本正变得与传统的非自由作战能力控制没有太大不同。”
国际整流器是指其作为“FOC的正弦换向”的控制方法。IR已发现Foc优于传统的扭矩控制和平滑度，特别是为内部永磁电机- 用于家电应用的新出现电机设计，如压缩机驱动器。此外，Foc提供提取由内部PM电动机产生的显着扭矩（附加扭矩）的能力。“[FOC]算法的复杂性可以通过IR的IR型核心产品中的运动控制引擎等专用硬件控制方法来克服，”Takahashi总结。
德州仪器（TI）注意到FOC的几个好处，它称之为“正弦现场导向控制” - 伺服系统的更好的动态性能，较少的电动机扭矩波动。由于性能提高，电动机的潜在调整为辅助效益。“使用FOC的历史缺点已经实现了挑战，”电机的TI高级应用工程师Kedar Godbole说。FOC要求密集的计算，使得在没有非常有效的处理器的情况下难以申请。“由于这种复杂性，Foc先前被保留用于非常先进或非常大的电机控制，”他补充道。
旨在实现电机控制的高度集成的嵌入式信号处理器已更改所有这些。例如，TI的TMS320C28X生成控制器现在提供所需的计算能力和片上外设的必要组合，以便在低中和中端系统中实现FOC的应用，解释道博。
替代解决方案
FOC之前出现了什么？梯形和正弦换向，尤其是模拟伺服驱动器 - 如果您回到足够远的交流伺服电机控制替代方案，则为其他方法。
西门子提到了早期伺服驱动器的一种简单的控制方法。它通过位置传感器检测转子的位置和速度，并通过电流控制器施加方波电流，通过同步伺服电机获得基本定位。然而，方波电流产生高转矩脉动，特别是在低速时。
脉冲宽度调制施加到逆变器输出电压解决了这个问题，从而导致正弦波定子电流。被称为正弦换，这是向前迈进了一步，但仍然不是最佳的循环高动态应用中，根据西门子。“在高速行驶时，电流空间矢量的相位误差产生一个不期望的无功电流，这... .doesn't产生任何有用的扭矩，但会增加定子电流，”国家格茨。正弦换不再使用的西门子伺服驱动器。
梯形(“陷阱”)换向是一种粗糙的无刷电机控制，使用霍尔传感器反馈很容易实现。根据Baldor的Mazurkiewicz的说法，它适用于许多可调速度的应用。正弦换向为带有编码器和霍尔传感器反馈的电机提供控制改进。他补充道:“在给定扭矩下，正弦换向比陷阱使用更少的电流。”Baldor MicroFlex驱动器支持陷阱和正弦换向与反馈类型软件可由用户选择。
德州仪器将梯形换向和相关无刷电机视为“一些扭矩涟漪可能是可以接受的应用”的低成本控制。这是一个六步的方法，转子位置反馈没有比1/6的更精细，旋转足够。TI还提到梯形换向以高于10,000 rpm以上的无刷电机的有用性。
“梯形控制可能导致最佳电流矢量的不对准高达30度，这可能导致扭矩脉动高达15％，加上效率的显着损失和低速的精度非常有限，”博世雷克索的Fischbach说。正弦控制方法有助于低速结束，但没有提供高速性能的优势。“由于电流控制器必须跟踪时变电流值，因此PI控制器的有限增益和频率响应导致电机电流中的相滞和增益误差，”Fischbach解释。“结果，当前向量失去了其优化的方向，电机效率恶化。”
FOC克服了较早方法的限制，为无刷伺服电机提供最佳的低速和高速性能。强大的处理器正在降低实施成本。现在是时候击败了导电的控制的鼓声。
控制工程文章《伺服系统的磁场定向控制》(2004年2月在线增补)
弗兰克J.Bartos，控制工程
面向领域的控制（Foc）在永磁（PM）同步电机或无刷伺服电机中产生最佳性能。并归档在电机的所有运行速度下。
自20世纪70年代早期西门子的Felix Blaschke首次开发用于控制交流感应电动机的扭矩和速度以来，FOC已经走过了很长的一段路。随后，它被用于优化无刷伺服电机的性能，今天它是几乎所有高性能电伺服运动系统的选择的控制方法。
尽管如此，FOC for伺服电机没有与感应电机的识别相同，其中方法 - 也称为助焊剂矢量控制 - 被广泛宣传。面向领域的控制也遭受了与正弦换向的一些混乱。“一些技术供应商和用户指的是SineUnal换向，即使是固定领域的”定子架“交流电流循环闭合为面向现场控制，”Delta Tau数据系统的工程研究VP副总裁VILSON说。
在方法的差异在侧边栏上的“替代方法”，并在主要文章解释。
复杂的应用程序
面向现场的控制可以满足高性能的需求。
Bosch Rexroth在其数字智能驱动器中施加FOC，可实现降低至0.001英寸的定位精度，速度超过3,000英尺/最小 - 即使在多轴应用中也是如此。对于从零到全速的高定位精度，FOC与反馈结合使用，该反馈可达高达1600万增量/革命加其他技术。“任何传统的控制方法都会缺乏带宽和动态，”组件销售经理Peter Fischbach说。还具有轴的驱动技术，可消除不同运动轴之间的齿轮和其他磨损件。公司拥有一段时间冠军无轴驱动技术。
博世Rexroth还提到了高速金属切削作为重要的FOC应用（见主制品中的照片）。例如，Indradyn H永磁电机使用Indradrive系列控件实现高达30,000转的速度。电机温度管理在这种类型的应用中变得至关重要，因为转子中的额外损失可能导致热生长并影响加工精度，解释说。
国际整流器引用了一种新的牙科钻孔设计，它使用了一个24-V无传感器（无切感的）FOC系统，能够高达100,000 rpm。它取代了一个6步梯形驱动器，产生不可接受的扭矩纹波和电机温度升高，速度不到一半。
无传感器的船
传统的面向领域控制需要用于定位信息的反馈设备。因此，在“无传感器”（或无系谱）方法中正在进行显着的发展，以简化方法，消除单独的反馈装置并降低成本，但仍然获得Foc的高性能。
Delta Tau数据系统提到了FOC涉及飞轮控制最多100,000 rpm的FOC的能量存储应用，并且在“无传感器模式”中，在没有轴安装传感器的情况下控制，但依赖于伺服驱动器中的参数感测到估计转子角度。威尔逊还通过Delta Tau提出了其他“无传感器”FOC应用，电机速度高达40,000 rpm。“很少有传感器可以处理这种速度，”他补充道。
内部（或内部）永磁同步电机正在引起关注，特别是在日本。这些电机在转子内部嵌入永磁体，而不是将它们安装在转子表面上，以改善加速和其他益处。然而，将无传感器控制应用于内部PM电动机变得更复杂，因为转子位置信息不能单独地导出电动势（EMF）估计。定子的电感也影响转子位置估计，新兴电机数学模型寻求包括。
三菱电动自动化（https://www.meau.com）和yaskawa电气（https://www.yaskawa.com）是目前提供内部PM伺服电机的制造商之一。Yaskawa提到的一个应用程序是电梯驱动器。
FOC和无刷伺服电机控制的替代方法
梯形(或六步)交换
无刷直流电动机的最简单控制方法之一被称为“梯形”换向。电流通过电机端子一次控制一对，第三端总是从电源断开连接。嵌入在电动机中的三个霍尔效应装置通常提供测量60度扇区内的转子位置的数字信号并将信息发送到电动机控制器。因为在任何时候，两个绕组中的电流相等，并且第三是零，该方法只能产生具有六个方向中的一个的电流空间向量。当电动机转弯时，其端子的电流每60度旋转电切换（换向），使得当前空间向量始终在正交方向上最接近的30度。
因此，每个绕组的电流波形是一个从零到正电流，再到零，再到负电流的阶梯。这产生了一个当前的空间矢量，近似于“平滑”旋转，因为它在转子旋转的六个不同方向之间的步骤。
[该方法也称为六步换向。]
PI控制器用于电流控制。将所需的扭矩与测量的电流进行比较以产生误差信号。然后将当前误差集成（i）并放大（p）以产生输出校正，这趋于降低误差。PI控制器输出随后脉冲宽度调制（PWM）并提供给输出桥。这有助于维持正在驱动的绕组中的恒定电流。
换向电流控制的独立完成。从电动机中的霍尔元件的位置信号选择相应的一对马达端子到由输出桥来驱动。剩余的终端是左断开。电流感测电路被设计为使得电流在活性绕组对总是测量并反馈到电流控制回路。
梯形换流进行充分的许多应用，但有它的缺点。由于电流空间矢量可以在六个离散的方向只有一点上，它从最佳方向错开的任何位置从0到30度。这导致约15％（1-cos30）的转矩脉动在六倍电机的电旋转速度的频率。电流空间矢量的不对准也代表了效率的损失，因为一些绕组电流的不产生转矩。此外，活动终端的切换引入一个暂时性的电流控制回路电动机每电旋转六次。这会导致听得见的“点击”，可以使精确的电机很难在低速时。
正弦变换
另一个电相位切换方法，已知通过具有电动机控制器驱动所有三个电动机绕组与正弦地变化作为电动机电流匝作为正弦换-解决了这个问题。这些电流的相对相位被选择，从而得到以总是在正交方向相对于所述转子和具有恒定幅度的平滑的旋转电流空间矢量。与形转向相关这就消除转矩脉动和换向尖峰。
然而，需要精确的转子位置测量来产生电机电流的平滑正弦调制。霍尔设备不充分，因为它们仅提供转子位置的粗略措施。因此，需要从编码器或类似设备的角度反馈。该方法使用两个电动机绕组电流中的每一个的单独电流回路。因为电动机是“Wye”有线的，所以第三电动机绕组中的电流等于前两个绕组（Norton Current Lave）中的电流的负和，因此不能单独控制。
每个绕组中的电流必须是正弦波，相移120度(因为定子绕组的方向相隔120度)，并将其组合起来以产生一个恒定大小的平滑旋转的电流空间矢量。来自编码器的位置信息被用来合成两个正弦波，相位从另一个偏移120度。然后将这些信号与扭矩命令相乘，使正弦波振幅与所需的扭矩成比例。结果是两个正弦电流命令信号适当相控以产生一个旋转的定子电流空间矢量在正交方向。
正弦电流指令信号被提供为一对PI控制器的输入，其调节两个适当的电动机绕组中的电流。第三电动机绕组中的电流是受控绕组中的电流的负和（如前所述）。从每个PI控制器的输出被馈送到PWM调制器，然后送到输出桥和两个电机端子。施加到第三电动机端子的电压被推导为向前两个绕组的输出的负和。在实际输出电流波形精确地跟踪正弦电流指令信号的程度上，所得到的电流空间矢量将平滑地旋转，根据需要具有恒定的幅度并且在正交方向上定向。
正弦换将导致控制权光滑一般梯形换向无法实现。虽然这是在低的电动机速度下非常有效的，正弦方法倾向于在高速下散开。这是因为随着速度上升电流回路控制器必须跟踪增加频率的正弦信号。与此同时，他们必须克服电机的反电动势也随速度增加的幅度和频率。
由于PI控制器具有有限的增益和频率响应，电流控制环路的时变扰动会导致电机电流的相位滞后和增益误差。更高的速度导致更大的错误。这扰动了相对于转子的当前空间矢量的方向，导致它偏离所期望的求积方向。当这种情况发生时，给定电流产生的扭矩更小，因此需要更多的电流来维持扭矩。效率恶化。
随着速度的增加，这种降低仍在继续。在一些点电动机电流相移通过90度 - 扭矩减小到零。通过正弦换向，高于该点的速度导致负扭矩，因此无法实现。
面向现场控制的控制
正弦换向的根本弱点是它试图控制电机电流是时变的。由于PI控制器的带宽有限，这将随着速度和频率的增加而分解。磁场定向控制(FOC)将控制器与时变绕组电流和电压隔离开来[通过将电流空间矢量直接转换到转子的d-q参考系]，因此消除了控制器频率响应和相移对电机转矩和速度的限制。
尽管参考框架转换可以在单个步骤中执行，但最好将其描述为两步过程(参见主要文章中的FOC图)。电机电流首先从定子绕组的120度物理框架转换到一个固定的正交参考框架。然后它们被转换到转子的旋转框架，这必须以PI控制器的更新速度来完成，以确保有效的结果。这个过程[稍后]被反转，将d-q参考系中的PI控制器的电压信号转换到定子绕组的端子上。
一旦电动机电流转变为转子参考，控制变得直截了当。两个PI控制器的输出表示相对于转子的电压空间向量。镜像在电机电流上执行的变换，这些静态信号由一系列参考帧变换处理，以产生输出桥的电压控制信号。它们首先从转子的旋转D-Q框架转换为定子的固定X-Y框架。然后，电压信号从正交框架转换为U，V和W电机绕组的120度物理框架。
这就产生了三种适合PWM输出调制器控制的电压信号。参考系变换将电机绕组上的正弦时变电流和电压信号转换为d-q空间中的直流信号表示。
为什么FOCE更好？
正弦换产生在低速运动平稳，但是在高速下低效率的。梯形换向可以在高速下相对有效，但是会导致转矩脉动在低速下。场定向控制提供在低速下以高速平滑的运动，以及有效的操作。FOC提供了两全其美。
摘录和编辑“什么是菲尔德导向控制'，它是什么好的？”查尔斯Rollman，在科普利控制公司的运动系列产品技术总监
