电机换相和控制技术最新进展
日期：2006-11-9 23:43:53 来源：本站整理
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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。
磁吸力
从如何产生力矩的视角出发，对于大多数电机而言，简洁的磁棒就是一种很好的工作模型，作为电机转子模型的磁棒围绕自身中心旋转，并与安装于定子的固定线圈所产生的磁场相互作用。无刷直流电机的转子磁场由直接安装在转子上的永磁体产生，交流感应电机的转子磁场则由定子旋转磁场的感应作用产生（这也正是感应电机的名称由来），与无刷直流电机有所不同，该磁场的方向变化取决于多种因素，包括定子的励磁频率和电流，转子转速以及电机的负载力矩等。
直流无刷电机的定子线圈通常采用三相结构，与可采用FOC技术的交流感应电机的绕组形式相同。单相感应电机是大多数空调机、电冰箱、洗衣机和干燥机等家用电器的动力源，因其定子线圈无法分开控制，所以还不能采用这种最高级别的矢量控制技术。
在任何情况下，定子的三相绕组都以120度电角度均匀排列，三相绕组所产生的合力最终促成电机的有效旋转。随着各相线圈的励磁相位不同，其相互作用的结果既可以产生无法形成旋转力矩的磁力作用，也可以产生能够形成旋转运动的磁力作用。这两种不同类型的磁力作用通常被分别称作交轴分量（Q）和直轴分量（D），可产生有效力矩的交轴分量（请勿混同于位置反馈装置的正交编码方案）的运行方向垂直于转子磁极轴线，不产生力矩的直轴分量的运行方向则平行于转子磁极轴线。这种矢量关系如图1所示。
形成旋转运动的诀窍在于使Q轴分量最大化的同时使D轴分量最小化。对于无刷直流电机而言，做到这一点很容易，至少在概念上如此，毕竟无刷直流电机具有直接安装于转子的永磁体，这样一来，如果通过霍尔传感器或者位置编码器检测出转子角度，就可以知道转子磁场的方向。如果试图采用无传感器控制技术进行速度和力矩控制，则会出现更多令人感兴趣的方法，由于不存在转子位置的直接机械检测，因此必须通过三相绕组的反电势波形推算转子角度，尽管并不容易，这种反电势控制方法如今已用得相当普遍。不过必须记住：反电势需要电机旋转起来才会产生，所以该技术并不适用于有时必须锁定于某一固定位置的定位控制领域。
对于交流感应电机而言，也可以采用类似方法。由于额外需要维持一定幅度的感应磁通，所以D轴分量不能取为零，而是代之以一个与电机特性有关的小常量。此外，以霍尔传感器或者编码器检测转子位置也不足以确定转子的磁场角度，因为即便如此也无法告诉我们转子感生磁场的确切角度，毕竟该磁场由感应而来，且总是在变化。
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。
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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。
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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。
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在无刷直流电机应用中，更高的性能就意味着更加平稳的运动和更为宽泛的运行速度。应用于交流感应电机时，其潜在优势则可能具有更为深远的意义，与简单的全开全关控制相比，FOC技术可以使电机的运行效率更高，发热更少，因而电机本身也可以更小，FOC技术还可以支持反向旋转等特性，从而不再需要制动器和离合器等。考虑到美国全部能耗的60％到65％都在用于驱动电机，这无疑将促进市场对于更高能效的需求。
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从如何产生力矩的视角出发，对于大多数电机而言，简洁的磁棒就是一种很好的工作模型，作为电机转子模型的磁棒围绕自身中心旋转，并与安装于定子的固定线圈所产生的磁场相互作用。无刷直流电机的转子磁场由直接安装在转子上的永磁体产生，交流感应电机的转子磁场则由定子旋转磁场的感应作用产生（这也正是感应电机的名称由来），与无刷直流电机有所不同，该磁场的方向变化取决于多种因素，包括定子的励磁频率和电流，转子转速以及电机的负载力矩等。
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直流无刷电机的定子线圈通常采用三相结构，与可采用FOC技术的交流感应电机的绕组形式相同。单相感应电机是大多数空调机、电冰箱、洗衣机和干燥机等家用电器的动力源，因其定子线圈无法分开控制，所以还不能采用这种最高级别的矢量控制技术。
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在任何情况下，定子的三相绕组都以120度电角度均匀排列，三相绕组所产生的合力最终促成电机的有效旋转。随着各相线圈的励磁相位不同，其相互作用的结果既可以产生无法形成旋转力矩的磁力作用，也可以产生能够形成旋转运动的磁力作用。这两种不同类型的磁力作用通常被分别称作交轴分量（Q）和直轴分量（D），可产生有效力矩的交轴分量（请勿混同于位置反馈装置的正交编码方案）的运行方向垂直于转子磁极轴线，不产生力矩的直轴分量的运行方向则平行于转子磁极轴线。这种矢量关系如图1所示。
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形成旋转运动的诀窍在于使Q轴分量最大化的同时使D轴分量最小化。对于无刷直流电机而言，做到这一点很容易，至少在概念上如此，毕竟无刷直流电机具有直接安装于转子的永磁体，这样一来，如果通过霍尔传感器或者位置编码器检测出转子角度，就可以知道转子磁场的方向。如果试图采用无传感器控制技术进行速度和力矩控制，则会出现更多令人感兴趣的方法，由于不存在转子位置的直接机械检测，因此必须通过三相绕组的反电势波形推算转子角度，尽管并不容易，这种反电势控制方法如今已用得相当普遍。不过必须记住：反电势需要电机旋转起来才会产生，所以该技术并不适用于有时必须锁定于某一固定位置的定位控制领域。
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对于交流感应电机而言，也可以采用类似方法。由于额外需要维持一定幅度的感应磁通，所以D轴分量不能取为零，而是代之以一个与电机特性有关的小常量。此外，以霍尔传感器或者编码器检测转子位置也不足以确定转子的磁场角度，因为即便如此也无法告诉我们转子感生磁场的确切角度，毕竟该磁场由感应而来，且总是在变化。
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