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你的伺服系统中使用磁场定向控制吗？

你的伺服系统中使用磁场定向控制吗？ 2011年12月04日 来源： 磁场定向控制（Field-Oriented Control, FOC）, 有时也称之为磁束矢量控制——是一种能够使永磁同步电机（或无刷伺服电机）在整个速率范围内获得最高性能的方法。FOC算法模拟直流电机的力矩发生效用并可以实现线性力矩控制。FOC算法在30多年前由Siemens的Felix Blaschke 首次提出，人们更多地会将它与感应电机相联系，事实上FOC算法被很多厂家用于无刷伺服电机，只是未被广泛宣传。获得最高性能在Bosch Rexroth 公司电气驱动与控制部，基于FOC的数字驱动器被看作直流无刷电机（和其他种类电机）的“标准”驱动 ，它可以满足更高定位精度，功率密度，速度和效率的要求，像梯形或正弦转换，这些是用传统控制方式无法做到的。“通过磁场定向控制，对电流矢量做最优化控制，可获得最低损耗下的最大力矩，”元器件销售经理Peter Fischbach说，“在电压限制范围内磁场弱化时，使用传统的控制方式是不能安全操作的。”Fischbach总结了FOC 的各种优势，它克服了早期控制方式的固有局限性。Bosch Rexroth 公司的最新FOC设计，第5代多变量电流控制系统，据说可提供低速（低至0rpm）大力矩（小于0.5%的力矩波动）；即使在高速时也保持高效率；在电压限制范围内磁场弱化时可完全控制。对于FOC的其他优势，他也举例：• 力矩和电流响应时间小于0.2ms；• 电流控制器带宽大于2000Hz。Copley Controls Corp公司运动产品技术总监Charles Rollman将FOC算法与正弦变换区分了开来（看“可供选择的方案”段）。在正弦变换方式中，通过正弦波形调整控制器电流，在电机定子中产生旋转磁场；但是，他解释说，正弦频率是受速度限制的。更高频率将会导致电流相位的滞后，引起磁场的位置不准，从而使电机发热，限制速度。在电机转子的d-q坐标系中，理想地确定了向量大小和相对于转子的积分方向（90度）--与旋转无关，而FOC对电流空间矢量的直接控制解决了正弦变换的问题。 Rollman说 ：“PI控制器在直流而不是正弦信号下工作。通过磁场定向控制，电流控制质量在很大程度上已经不受电机速度的影响。”为了实现FOC算法，必须进行复杂的计算，转换不同的坐标系。在用两个PI控制器处理标准电机电流时，先要把电流从电机绕组的三相静态坐标系计算转换到两轴的旋转d-q坐标系（看FOC图表）。Rollman 解释说，处理直流元件的一个控制器被减小到零，使得电流空间矢量只是在要求的积分方向上。第二个PI控制器处理电流的积分部分并且响应力矩要求。两个PI控制器的输出信号代表了与电机转子相关的电压空间矢量。通过一系列的逆变换，可将这些信号还原到定子坐标系，作为三相PWM调节器输出。FOC 的成功取决于能否有效地将信号转换。 Rollman认为高性能的处理器是能够做到的。近几年数字信号处理器（DSP）的广泛使用促进了FOC 在伺服系统中的应用。要强调的是在FOC和正弦变换时，进行电流控制和变换处理的顺序具有重要差别，Rollman解释说，在FOC中，先进行PI电流控制，接着进行快速变换处理。而正弦变换与之相反。“因此PI控制器与随时间变化的电流和电压相孤立，并且该系统不受PI闭环控制带宽和相位改变的限制。”他说。

图1：Bosch Rexroth在其数字智能驱动系统中采用FOC优化金属切割过程的精度

安静地工作Siemens同样宣传FOC在永磁同步伺服系统中的应用，但不是很夸大它的作用。Siemens Energy &; Automation运动控制驱动器和电机产品经理Martin Gertz解释说:“将随时间变化的三相定子系统转换为不随时间变化的d-q坐标系，在此基础上建立磁场定向控制。”这个旋转系统有两个正交的电流向量，一个向量与转子磁场平行，另一个向量与转子磁场正交。因为只有后面一个向量产生有用力矩，所以平行向量被调节为零，并且空间向量被保持在积分方向。Gertz 说：“最后再逆转换到三相系统，就可以通过脉宽调制得到没有空间向量相位差的定子正弦电流。”Siemens的Simovert MasterDrives Motion Control和 Simodrive 611U专门使用FOC来控制永磁同步电机。这些伺服驱动器使用的高脉冲频率达到10kHz,不需要阻尼就可以控制振荡力矩。根据Siemens的报告，这些驱动器满足了要求极短周期，得到最高动态响应和精度的应用系统。Emerson Control Techniques（ECT）多年前也将FOC运用在了无刷伺服系统中。当时将FOC引入了Unidrive，一种可以用在多种电机类型上的所谓“万能”驱动器。（ECT将FOC算法应用于感应电机的时间实际上更长。）ECT美国公司工业驱动器产品经理Alex Harvey说：“FOC已经被嵌入到我们的伺服驱动器中，但是并没有专门发展它。”他还提到反馈装置是另一个会影响到FOC能否成功应用在无刷伺服系统的重要因素。UnidriveSP是 Unidrive家族的新成员，支持增值型绝对值编码器、解码器和新的SinCos 反馈。“对于高性能的应用系统来说，广泛应用了可提供超过500，000条等势线/旋转反馈的绝对值装置，” Harvey说。另一个支持磁场定向控制的系统，Delta Tau Data Systems公司10年前就改进了用于无刷伺服电机（和感应电机）的算法，其中包括数字闭环电流。“我们将电流相位测试量从‘定子坐标系’转换到‘旋转场坐标系’，可以得到直流量，”工程研究副总裁Curtis Wilson解释说，“这样可以消除交流电流回路所带来的高频问题。”这些算法仍然能够满足大部分Delta Tau Data Systems用户的要求，Wilson引用了最近为一些专门用户所作的创新，比如感应电机向量控制中的“弱化磁场”技术允许伺服电机的力矩/速度曲线发生显著变化。他还提到了在启动同步伺服电机方面所取得的新成就，它需要一个绝对相位基准。过去，在启动电机调整相位时需要使用一个昂贵的绝对值传感器或实际的电机运动。Wilson 补充说，“现在我们只需要用一种励磁技术，利用铁芯的磁性饱和性质来建立相位基准，这种方法不需要电机运动。”Rockwell Automation认为磁场定向控制是无刷电机伺服驱动器的主要部分。使用FOC的样品中有低功耗伺服系统，比如Ultra3000--有22KW(30hp)最大输出的单轴230/460 V驱动器--最近引入了230/460 V 输入，额定输出为7.5KW的multiaxis Kinetix 6000 驱动器，到2004年底额定输出可达22KW。即使如此，在标准说明书里没有FOC的相关说明，只有其他的性能特点说明，比如，数字接口、脉宽、高执行反馈的选择以及软件。Rockwell Automation标准驱动器产品经理Corey Morton提到了FOC算法应用于交流感应电机的其他经验。他指出额定功率在0.37～250KW的PowerFlex 700S交流驱动器，被用于控制感应电机和无刷电机。在该驱动器的说明书中提到了FOC，但是你必须耐心寻找。Morton还提到了FOC算法的进步还包括不再需要传感器，在PowerFlex 700S中用到的控制模式。Baldor 电气公司将不同的控制方式用于无刷同步电机，以满足不同的应用需求。它的FlexDriveII 和MintDriveII两种控制器使用FOC算法满足了高性能伺服定位的要求，即获得力矩与调整速率。伺服产品经理John Mazurkiewicz，只看到了FOC和正弦变换在交流无刷同步电机应用中的微小差别。“通过FOC，运用解耦电流和力矩的方法可以建立电机的数学模型。这样就可以独立地监测和控制电机的每个部分” ，Mazurkiewicz说，“正弦变换正确地解耦了电流和力矩”，他补充说，因为减小电动势减弱磁场，FOC发挥了更高旋转速率的优势（超出了提供的总线电压范围）。

图2 ：FOC允许PI控制器在转子d-q坐标系工作，与正弦电机电流、电压变化隔离，以在高、低速下获得同样良好的性能。

控制板与芯片“磁场定向控制是交流机器（包括感应电机和永磁电机）获得线性力矩调节的唯一方式”，International Rectifier（IR）公司数字控制IC设计中心的工程总监Toshio Takahashi评论道。IR公司致力于FOC的发展。它认为FOC是新设计产品的核心技术，甚至取代了现有的某些技术。Takahashi说，“实施FOC控制的费用与传统的非FOC控制费用相差无几。”IR公司指出它的控制方式是“通过FOC进行正弦变换”。IR已经发现FOC在力矩控制和控制平滑性方面优于传统的控制方式，这种优越性在内部永磁电机（一种用于设备的电机，比如压缩机驱动器）中体现得尤其充分。此外，FOC具有去除内部永磁电机所产生的力矩（额外力矩）的能力。Takahashi 总结说，“可以通过专用硬件控制方式克服FOC算法的复杂性，比如IR公司iMotion产品线中的Motion Control Engine。”德州仪器公司（TI）列举了FOC的几个优点，将其称为“正弦磁场定向控制”--主要体现在使伺服系统具有更好的动态性能，产生较少的力矩波动。由于性能的改良，可能会使电机恢复原来的尺寸，这是附带的好处。TI公司的高级应用工程师Kedar Godbole说， “长期以来运用FOC的越来越少， FOC已经面临挑战。”FOC 要求强大的计算能力，如果没有高效的处理器，它就很难应用。他又补充道：“由于运算的复杂性，以前，在非常高级或大型的电机控制中不会使用FOC。”用于电机控制的高集成度嵌入式信号处理器打破了这一局面。Godbole解释说，比如，TI公司的TMS320C28x 系列控制器现在将计算能力与片上外围设备结合了起来，将FOC用在中低规模系统中。

图3： IR的Motion Control Engine的快速正弦变换使一种新的牙科钻最高速度达到100000rpm, 温升最小，没有力矩波动。

可供选择的方案在FOC之前采用的是什么方法呢？梯形和正弦变换，尤其是模拟伺服驱动--如果你追溯到多年前还可以找到其他方法--提供交流伺服电机的控制方式，但是性能较差。Siemens公司提到了早期伺服控制器的简单控制方式。它可以通过位置传感器检测到转子的位置和速度，并通过电流控制器运用方波电流获得同步伺服电机的基本定位。但是，方波电流会产生高转矩波动，尤其是在低速时。将脉宽调制运用在换流器输出电压上可以解决波动问题，产生正弦波定子电流。Siemens公司认为，过去会使用正弦变换，虽然对于高动态循环应用系统它们并不是最好的选择。“在高速时，电流空间向量的相位差会产生无功电流，这种电流不能产生任何有用力矩，但是会增加定子电流”, Gertz评论说。Siemens伺服驱动器不再会使用正弦变换。梯形变换是一种简单的无刷电机控制方式，它只是简单地使用了霍尔传感反馈。Baldor公司的Mazurkiewicz说，对于许多可调速度的应用系统来说，梯形变换已经足够。正弦变换加上解码器与霍尔传感反馈可以增强控制效果。他补充说，“与梯形变换相比，正弦变换只要更小的电流就能产生给定力矩。”Baldor MicroFlex驱动器通过用户选择的反馈类型软件支持梯形与正弦变换。TI公司认为将梯形变换用于无刷电机花费很小，应用中“允许力矩波动”。该公司还提到当无刷电机的转速超过10000rpm时，梯形变换是无效的。“梯形控制能引起最佳电流向量偏差30度，这会造成15%的力矩波动，和严重的效率损失，低速时的精度也会受到限制。”Bosch Rexroth公司的Fischbach说。正弦控制方式对低速性能有利，但是对高速性能没有好处 。“因为电流控制器必须跟踪随时间变化的电流值，所以PI控制器的有限输出与频率响应会造成电机电流的相位滞后和误差，”Fischbach解释说，“结果，电流向量会偏离最佳方向，而电机的效率则会下降。”FOC克服了早期控制方式的局限性，为无刷电机提供了最佳的低高速性能。并且功能强大的处理器也降低了实现FOC的费用。我们应该好好宣传磁场定向控制的优点了。 相关更多信息，请访问下列网站:Baldor Electric>

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