磁场定向控制原理之深入浅出
磁场定向原理
磁场定向原理1. 简介磁场定向原理指的是通过改变磁场的方向和强度来控制物体的运动或行为。
磁场定向原理在电磁学中扮演着重要的角色，广泛应用于工程技术和科学研究领域。
本文将详细介绍磁场定向原理的基本理论、应用以及未来的发展方向。
2. 磁场的基本特性磁场是由具有磁性的物体所产生的一种物理现象。
根据磁体之间的相互作用，磁场可以分为两种类型：吸引和斥力。
磁场的强度和方向可以通过磁感应强度和磁场线表示。
磁感应强度代表了单位面积上磁场的能量流量，用特斯拉（T）作为单位。
磁场线是用来描述磁场方向的虚拟线条，通常沿着磁场强度的方向指向北极。
3. 磁场定向机制磁场定向原理的机制可以通过磁场对物体施加的力和磁场对物体的磁矩的作用来解释。
根据法拉第定律，磁场会对电荷载流子施加力。
当物体中存在电流时，磁场通过洛伦兹力作用于电流，从而导致物体运动或受力。
此外，物体的磁矩会受到磁场力矩的作用，使得物体在磁场中朝特定方向旋转。
4. 磁场定向应用磁场定向原理被广泛应用于各个领域，如航天、电子、能源等。
以下是一些常见的应用：4.1 磁悬浮列车磁悬浮列车利用磁场定向原理来悬浮和推动列车，减少了与轨道的接触摩擦，从而提高了运行效率和速度。
4.2 磁存储技术磁存储技术利用磁场定向原理将数据存储在磁性介质中。
通过改变磁场的方向和强度，可以读取和写入数据，实现信息的存储和传输。
4.3 磁共振成像磁共振成像（MRI）利用磁场定向原理来创建人体内部的详细影像。
通过在人体中施加强大的磁场，使得人体内的原子核生成特定的共振信号。
通过检测并分析这些信号，可以得到人体器官的高清影像，用于医学诊断和研究。
4.4 磁力传感器磁力传感器利用磁场定向原理来检测和测量磁场的方向和强度。
这种传感器广泛应用于导航、测量和控制系统中，用于测量物体的位置和运动状态。
5. 磁场定向的挑战与展望尽管磁场定向原理在许多领域得到了广泛应用，但仍存在一些挑战和限制。
例如，磁场的干扰和不稳定性可能会影响到定向的精确性和可靠性。
第四章磁场定向控制(FOC)与直接转矩控制(DTC)
（4-4）
在形式上与直流电动机的特性十分相似，即如 果设法保持异步电动机的转子磁链恒定，则电机的 转矩就和转子电流I2成正比。控制转子电流就能控 制电机的转矩。
矢量控制的提出(1)
基于这种想法，提出了一种所谓以转子磁链定向 (FOC-Field Orientated Control)的矢量变换控制 方法，简称矢量控制。 它是利用在第二章中所介绍的坐标变换的办法， 把电机的三相电流、电压、磁链，经过坐标变换 变到以转子磁链定向的M、T二相坐标系上。 这个二相坐标系的M轴（磁化轴）沿着转子磁链 的方向，而另一个T轴与M轴相差90°，和力矩电 流的方向相重合。
如转子磁链 2M 保持不变，即 p 2M 0 ，则
i 2M 0
i1M 2M / L m 或 2M L mi1M
（4-10）
说明：在转子磁链保持不变的情况下，转子磁链全 部由定子磁化电流所决定，与转子电流无关。
转矩电流分量 转子电流全部是转矩电流分量。 由（4-7）式可以求得定子电流的转矩分量：
异步电机的转矩
从产生电磁转矩的角度来看，异步电动机的转矩
T CT m I 2 cos 2
（4-3）
它是气隙磁场 m 和转子电流的有功分量 I 2 cos 2 相互作用而产生的。 即使气隙磁场保持恒定，电机的转矩不但与转 子电流I2的大小有关，而且还取决于转子电流的 功率因数角 2 。
m Lm (i1 i 2 )
L2 两边同乘 得： Lm
L2 m L2 (i1 i L ) (L 2l Lm )(i1 i 2 ) Lm L 2li1 Lmi1 L 2i 2 L2li1 2
（4-18） （4-19） （4-20） （4-21）
电机磁场定向控制系统概述
电机磁场定向控制系统概述永磁同步电机（PMSM）是近年来发展较快的一种电机，由于其转子采用永磁钢，属于无刷电机的一种，具有一般无刷电机结构简单，体积小，寿命长等优点。
本文讨论空间矢量控制的永磁同步电机，采用磁场定向算法借助DSP高速度实现对转速的实时控制。
由于控制算法必须获取转子位置信息，所以传统的控制系统都需要以光电编码器等作为转子位置传感器。
为了最大限度减少传感器，本文从改变相电流检测方法，建立采用砰－砰控制的滑模观测器，介绍一个可以实现的模型。
2磁场定向原理磁场定向控制，简称FOC。
两直角坐标系：αβ坐标系为定子静止坐标系，α轴与定子绕组a相轴重合；dq为转子旋转坐标系，d轴与转子磁链方向重合，并以同步速ωr逆时针旋转。
两坐标系之间的夹角为θe。
可以把定子电流综合矢量is，在旋转坐标系dq轴上如下式分解is＝isd＋isq （1）在交流永磁同步电机中，转子为永磁钢，可认为转子电流综合矢量的模大小不变，常用常数值IF代表。
根据交流电机电磁转矩T与定、转子电流综合矢量的普遍关系式式中p———极对数L12———定、转子互感i1———定子电流综合矢量i2———转子电流综合矢量δ———定、转子综合矢量间夹角这样电磁转矩只随｜i1｜和角δ变化。
为了获得简单可控的转矩特性，可以给定定子电流综合矢量指令使其始终在q轴上，即δ＝90°，从而得式中Is———定子电流综合矢量的模按上式可以实现用定子电流综合矢量的模来直接控制电动机电磁转矩，从而使永磁同步电动机获得类似直流电动机的伺服性能，并可得到快速无静差的调节特性。
§3.6--磁场定向控制原理
§3.6 异步电动机的矢量控制异步电动机的磁场定向控制是从70年代发展起来的一种新的控制技术。
定义：异步电动机的磁场定向控制是把定子电流做为具有垂直分量的空间分量来处理的，因此又称为矢量控制。
目的：通过这种控制技术能使异步电动机得到和直流电动机相同的调速特性一． 磁场定向控制的基本思想基本思想；把交流电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制在任何电力拖动的控制系统，电动机产生的电磁转矩 e T 作用在电动机轴上的负载转矩（包括电动机的空载转矩0M ）L T 以及惯性转矩dt J m /ω∂ 三者之间的关系都由转矩平衡方程式决定，即：dt J T T m L e /ω∂=-设L T 及 J 均为常数，那么在动态过程中电动机速度 m ω 的变化规律完全取决于对电动机的电磁转矩e T 的控制。
举例如下：起动和制动的过程中，如果控制电动机的电磁转矩 e T 使其保持在最大允许值，就能使电动机以最大的恒加速度或恒减速度运行，从而缩短了起、制动的时间。
在突加负载时，只要能迅速地使电动机的电磁转矩 e T 增加，就可以使动态速降减小，缩短速度的恢复时间。
由此可见调速系统动态性能的好坏完全取决于在动态过程中电动机的转矩 是否能很方便、很准确地被调节和控制。
由于结构上的特点，他励直流电动机的电磁转矩T很容易控e制。
其工作原理可用下图来表示。
在励磁绕组f中通以励磁电流i则通过电刷及换相器流入f电枢绕组。
由于电刷和换相器的作用，使得电枢绕组虽然在转动但它产生的电枢磁场在空间是固定不动的。
因此可用一个等效的静止绕组来代替实际的电枢绕组。
这个等效静止绕组的轴线与励磁绕组轴线垂直，绕组中通过电枢电流i，产生的磁场与实际电枢绕组产a生的磁场相同，并且由于实际电枢绕组在旋转，因此等效静止绕组中有一感应电势e，这样，就可以用下图的等效模型来代替实际a的他励直流电动机。
励磁绕组中通入的励磁电流产生主极磁通φ，电枢绕组电流i与φa作用产生电磁转矩T。
磁场定向技术（FOC）
磁场定向技术（FOC）
磁场定向技术（Field Oriented Control，简称FOC）是直流无刷电机和交流感应电机控制领域所采用的一种纯粹的数学变换方法，因其具有改善控制性能，降低能源消耗的潜力，现已日渐成为运动控制行业的主要关注焦点。
FOC技术优于基于霍尔传感器的无刷直流电机的标准梯形波换相技术，同时可以通过更为复杂而先进的正弦波换相技术为电机提供更为宽泛的速度范围。
对于感应电机而言，FOC技术是对标准变频驱动技术的一种重大改进。
FOC技术与磁通矢量控制技术十分接近，后者可以控制廉价的三相交流感应电机，使其获得类似于昂贵的无刷直流电机的性能，其实，许多供应商都在交替采用这两种方法。
与其他类型的伺服电机相比，比如仍旧应用于不少重要领域的有刷直流电机，无刷直流电机和交流感应电机可以提供更高的功率密度和可靠性，而且交流感应电机也更为便宜。
为充分发挥这些优势，运动控制设计人员都在采用由数字信号处理器（Digital Signal Processors，简称DSP）或专用微处理器构成的高速算法平台，力图改善性能，增进效率。
§3.6 磁场定向控制原理.
§3.6 异步电动机的矢量控制异步电动机的磁场定向控制是从70年代发展起来的一种新的控制技术。
定义：异步电动机的磁场定向控制是把定子电流做为具有垂直分量的空间分量来处理的，因此又称为矢量控制。
目的：通过这种控制技术能使异步电动机得到和直流电动机相同的调速特性一． 磁场定向控制的基本思想基本思想；把交流电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制在任何电力拖动的控制系统，电动机产生的电磁转矩 e T 作用在电动机轴上的负载转矩（包括电动机的空载转矩0M ）L T 以及惯性转矩dt J m /ω∂ 三者之间的关系都由转矩平衡方程式决定，即：dt J T T m L e /ω∂=-设L T 及 J 均为常数，那么在动态过程中电动机速度 m ω 的变化规律完全取决于对电动机的电磁转矩e T 的控制。
举例如下：起动和制动的过程中，如果控制电动机的电磁转矩 e T 使其保持在最大允许值，就能使电动机以最大的恒加速度或恒减速度运行，从而缩短了起、制动的时间。
在突加负载时，只要能迅速地使电动机的电磁转矩 e T 增加，就可以使动态速降减小，缩短速度的恢复时间。
由此可见调速系统动态性能的好坏完全取决于在动态过程中电动机的转矩 是否能很方便、很准确地被调节和控制。
由于结构上的特点，他励直流电动机的电磁转矩T很容易控e制。
其工作原理可用下图来表示。
在励磁绕组f中通以励磁电流i则通过电刷及换相器流入f电枢绕组。
由于电刷和换相器的作用，使得电枢绕组虽然在转动但它产生的电枢磁场在空间是固定不动的。
因此可用一个等效的静止绕组来代替实际的电枢绕组。
这个等效静止绕组的轴线与励磁绕组轴线垂直，绕组中通过电枢电流i，产生的磁场与实际电枢绕组产a生的磁场相同，并且由于实际电枢绕组在旋转，因此等效静止绕组中有一感应电势e，这样，就可以用下图的等效模型来代替实际a的他励直流电动机。
励磁绕组中通入的励磁电流产生主极磁通φ，电枢绕组电流i与φa作用产生电磁转矩T。
磁场定向控制
利用一个ARM7处理器对无刷电机实施磁场定向控制电机驱动能效不论提高多少，都会节省大量的电能，这就是市场对先进的电机控制算法的兴趣日浓的部分原因。
三相无刷电机主要指是交流感应异步电机和永磁同步电机。
这些电机以能效高、可靠性高、维护成本低、产品成本低和静音工作而著称。
感应电机已在水泵或风扇等工业应用中得到广泛应用，并正在与永磁同步电机一起充斥家电、空调、汽车或伺服驱动器等市场。
推动三相无刷电机发展的主要原因有：电子元器件的价格降低，实现复杂的控制策略以克服本身较差的动态性能成为可能。
以异步电机为例。
简单的设计需要给定子施加三个120°相移的正弦波电压，这些绕组的排列方式能够产生一种旋转磁通量。
利用变压器效应，这个磁通量在转子笼内感应出一股电流，然后产生转子磁通量。
就是这两种磁通量相互作用产生电磁力矩，使电机旋转。
在转子上感应出电流的条件是，确保转子的转速与定子的磁通量频率不同；如果相同，转子只经历一个恒定的磁通量，不会有感应电流产生（楞次定律）。
通电频率和其产生的机械频率之间的微小差异是异步电机命名的原因。
一个三相交流电机实现转速可调操作的最简单方式是，实现一个所谓的电压/频率控制（或者叫做标量控制），其工作原理是在频率与电机通电电压之间保持恒比。
这种方法产生一个恒定的定子磁通量，然后在转子主轴上得到额定的电机力矩。
对于应用负载特性被大家了解的低成本驱动器，以及控制带宽要求不是很高的驱动器，如数量很少的HP泵和风扇、洗衣机等，这是一个很受欢迎的控制方法。
一个MIPS 不是很高并带有合理的外设接口的8位单片机如ST7MC，即可满足这种应用需求，同时编程也很简单。
这种方法无法在瞬间工作过程中保证最佳的电机特性（力矩、能效）。
而且为防止电机出现临时消磁现象，还必须限制驱动器反作用力的时间。
为了克服这些限制条件，考虑到电机的动态特性，市场上出现了其他的控制策略。
磁场定向控制（也称矢量控制）是应用最广泛的控制算法，目标应用包括带式传输机、大功率水泵、汽车废气排放、工厂自动化。
磁场定向控制原理
磁场定向控制原理嘿，朋友们！今天咱来唠唠磁场定向控制原理。
这玩意儿啊，就好像是一个神奇的魔法棒，能让各种机器变得超级厉害！你想啊，磁场就像是一个看不见的大网，把一切都笼罩在里面。
而磁场定向控制呢，就是能精准地指挥这个大网怎么发力，让电流啊、电压啊都乖乖听话，按照我们想要的方式来工作。
比如说咱家里的那些电器，为啥能那么听话地运转呀？这可多亏了磁场定向控制原理在背后默默发力呢！它就像是一个超级聪明的指挥官，指挥着电流和电压这些小兵小将，让它们在合适的时间出现在合适的地方，完成各种任务。
再打个比方，磁场定向控制就像是一个经验丰富的老司机，能稳稳地掌控着车子的方向和速度。
它知道什么时候该加速，什么时候该减速，让车子能又快又稳地前进。
要是没有它，那车子可不得横冲直撞，乱了套啦！你说这磁场定向控制原理神奇不神奇？它能让那些复杂的电机啊、驱动器啊变得服服帖帖的，发挥出最大的功效。
而且啊，它的应用可广泛了呢，从工业生产到日常生活，到处都有它的身影。
你想想看，那些大型的工厂里，各种机器设备都在有条不紊地工作着，这其中肯定有磁场定向控制原理的功劳呀！它让那些大家伙们能高效地运转，生产出我们需要的各种东西。
还有那些电动汽车，跑得那么快那么稳，不也是因为有了它嘛！这磁场定向控制原理可真是个宝啊！它让我们的生活变得更加便捷、更加高效。
要是没有它，那我们的世界得变成啥样啊？不敢想象！所以说啊，我们可得好好感谢那些研究出这个原理的科学家们，是他们让我们享受到了这么多的好处。
总之呢，磁场定向控制原理就像是一个隐藏在幕后的大功臣，默默地为我们的生活贡献着力量。
我们要好好珍惜它，让它继续为我们创造更美好的未来！这就是磁场定向控制原理，一个神奇又重要的存在！你说它棒不棒？。
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FOC是螺旋前进的必然……
2013-06-04
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结论
FOC是一个关于旋转的故事……
它告诉我们，如果能够站在客户的角度，跟随客户一起思考，那么看起 来复杂的问题将会变得简单！
2014-06-17
高阶 非线性 强耦合 多变量
独立控制磁通 独立控制转矩
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FOC的控制核心—坐标变换
2014-06-17
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I d I cos( ) I sin( ) I q I sin( ) I cos( )
V Vd cos( ) Vq sin( ) V Vd sin( ) Vq cos( )
2014-06-17
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减小转矩波动带来的机械振动
减小噪声
提高效率 增加舒适度
提高定位、速度的准确度和响应快速性
2013-06-04
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FOC的需求
A IU
B IV
C
D IW
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旋转矢量与正弦
Euler' s formula : e j cos( ) j sin( )
e 2.7182818284 j 1
α
β β β
α
α
α
2013-11-12
for internal use
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基本思想
实现步骤
2014-06-17
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FOC出现的背景
三相感应电机 磁场定向控制
他励直流电机
1970s，由K. Hasse和F. Blaschke提出。
优秀的品质，通常需要一颗强大的内“芯”支撑，FOC也不例外。 FOC是必然的趋势，而且已经悄然进入我们的生活……
2013-06-04
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2013-06-04 Copyright © Infineon Technologies 2013. All rights reserved. Page 14
FOC的好处
能够实现转矩和磁通的独立、简单控制
能够在整个速度范围内提供平滑转矩 能够在零速提供额定的转矩
能够加快加、减速的动态过程
2013-06-04
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FOC告诉我们……
无论三相电机的电流如何变化，耦合……
只要我们“站”在旋转的磁场坐标系的角度，那么控制转矩和磁通的大小， 都只需要将相应的矢量简单的增大，减小，或者保持不变……
E
F[1Biblioteka 0][110][010]
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B C D E A F
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[10 1]
Motor.emf
2013-06-04
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定义
磁场定向控制，Field Oriented Control (FOC). “又称为矢量控制，是通过控制变频器输出电压的幅值和频率控制三相交 流电机的一种变频驱动控制方法。”---译自维基百科 通过测量和控制电动机的定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电动 机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而将三相交流电机等效为直流电 机控制。 通过坐标变换，将三相静止坐标系转化为两相旋转的坐标系，从而使三 相交流耦合的定子电流转换为相互正交，独立解耦的转矩与励磁分量， 从而到达类似于他励直流电动机通过控制转矩电流直接控制转矩的目的。
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坐标变换的数学表达
Clarke Transform
I I u 1 2 1 Iu Iv I u 2 I v 3 3 3 Iu Iv I w 0 I
Park Transform Inverse Park Transform
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Clarke & Park 变换
两相正交旋转坐标系 两相正交静止坐标系 三相120度坐标系
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Park 逆变换
d-q旋转坐标系中的电压分量 α-β静止坐标系中的电压分量
磁场定向控制(FOC)原理 之深入浅出
2014英飞凌XMC 微控制器巡回研讨会
内容
FOC简介 理解FOC FOC需求 总结
2014-06-17
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FOC的ABC