基于磁场定向控制（Field-Oriented Control，FOC），也称为矢量控制，是一种用于交流电动机（特别是异步电动机和永磁同步电动机）的高性能控制技术。FOC的核心思想是将电动机的定子电流分解为两个正交分量：产生磁通的电流分量（称为励磁电流或id）和产生转矩的电流分量（称为转矩电流或iq）。通过独立控制这两个分量，可以实现电动机的高效和精确控制。
以下是基于磁场定向控制的基本原理和步骤：
基本原理
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坐标变换：FOC使用坐标变换将三相定子电流转换为旋转坐标系中的两个直流分量。最常用的变换是Clarke变换和Park变换。
- Clarke变换：将三相静止坐标系（abc）转换为两相静止坐标系（αβ）。
- Park变换：将两相静止坐标系（αβ）转换为旋转坐标系（dq），其中d轴与电动机的磁场对齐，q轴超前d轴90度。
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电流控制：在dq坐标系中，通过PI（比例积分）控制器分别控制励磁电流（id）和转矩电流（iq）。
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磁场和转矩的独立控制：
- 励磁电流（id）：控制电动机的磁通大小。对于永磁同步电动机，通常设定id为零以实现最大的效率。
- 转矩电流（iq）：控制电动机的转矩。iq与电动机的转速和负载有关。
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反变换：使用逆Park变换和逆Clarke变换将dq坐标系中的电流分量转换回三相静止坐标系，以生成PWM信号。
控制步骤
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电流采样：测量电动机的定子电流。
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坐标变换：使用Clarke和Park变换将三相电流转换为dq坐标系中的id和iq。
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电流控制：
- 计算id和iq的参考值。
- 将实际测量的id和iq与参考值进行比较，并通过PI控制器调整电压指令。
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电压指令生成：根据PI控制器的输出生成dq坐标系中的电压指令。
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反变换：使用逆Park变换和逆Clarke变换将电压指令转换回三相静止坐标系。
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PWM生成：根据转换后的电压指令生成PWM信号，以控制逆变器开关。
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逆变器控制：将PWM信号应用于逆变器，以驱动电动机。
FOC的优点
- 高效率：通过优化电流分量，可以实现更高的电动机效率。
- 精确控制：可以实现精确的转速和转矩控制。
- 低转矩纹波：由于电流的精细控制，转矩纹波较小。
- 宽速度范围：适用于从低速到高速的广泛运行范围。
FOC的缺点
- 复杂性：需要复杂的坐标变换和多个PI控制器，增加了控制算法的复杂性。
- 对参数敏感性：电动机参数的变化可能会影响控制性能，因此需要精确的参数辨识。