在現代電機控制領域，磁場定向控制（Field-Oriented Control, FOC）憑借其高效、精準的特性，成為驅動交流電機的核心技術。無論是工業機器人還是家用電器，FOC通過模擬直流電機的控制方式，將定子電流分解為轉矩和勵磁分量，顯著提升了動態響應與能效。根據是否依賴物理傳感器，FOC分為有感FOC與無感FOC，兩者各有優劣，適用于不同場景。本文將深入解析其原理、特點及應用。
FOC的核心思想是通過坐標變換（Clarke/Park變換），將三相交流電機的定子電流轉換為旋轉坐標系下的直軸（Id，勵磁分量）和交軸（Iq，轉矩分量）。在這個坐標系中，Id和Iq分別對其進行獨立控制，就如同控制直流電機一樣，從而實現對電機的轉速、位置和轉矩的精確控制。
有感 FOC 算法通常需要使用磁傳感器（如霍爾傳感器）、光學編碼器或磁編碼器等器件來精確感知電機轉子的位置和速度。其工作原理是基于磁場定向控制理論，通過傳感器獲取轉子的實時位置信息，將電機的三相電流和電壓變換到以轉子磁場為定向的旋轉坐標系（dq 軸）下進行控制。該算法的優點是控制精度高、穩定性好，能夠在各種工況下實現電機的精準定位和轉速控制，適用于對控制精度和動態性能要求較高的場合，如工業機器人、數控機床、航空航天等領域。但缺點是需要額外安裝傳感器，增加了系統的成本、復雜度和體積，同時傳感器的安裝和維護也需要一定的技術和成本。不過，有感FOC里面的傳感器及接口電路增加硬件成本，且占用安裝空間。同時，傳感器在震動、油污等惡劣環境下易失效。
無感 FOC 算法則不需要使用專門的位置傳感器來檢測轉子位置，而是通過檢測電機的相電流、反電動勢或其他電氣量，利用復雜的算法來估算電機轉子的位置和速度。常見的方法有基于反電動勢法、定子磁鏈法、電感法等，也有采用位置觀測器和反正切或鎖相環（PLL）計算的組合來構成位置觀測算法。無感 FOC 算法同樣是將電機的電流和電壓進行坐標變換，在 dq 軸坐標系下進行控制，但轉子位置和速度的獲取是通過對采樣數據的計算和分析得到的。這種算法的優勢在于降低了系統成本，提高了可靠性和抗干擾性，減少了電機體積和復雜度，適用于對成本敏感、安裝空間有限且對控制精度要求不是極高的場合，如家用電器、電動工具、工業風機等。不過，無感 FOC 算法的缺點是在低速時，由于反電動勢較小，信號檢測和處理難度大，導致估算精度下降，控制性能不如有感 FOC 算法，且算法復雜度較高，對控制器的計算能力有一定要求。綜上所述，有感FOC和無感FOC之間的對比如下圖所示。
面向未來，隨著芯片算力的提升與智能算法的演進，無感FOC正逐步滲透至高端領域。例如，新能源汽車的冗余驅動系統中，無感方案可作為備份控制；而融合AI參數自整定技術，進一步提升了無感FOC的適應性。然而，在絕對精度與可靠性要求極高的場景（如航天、伺服），有感FOC仍是首選。 |
