為了實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)性能，需要采用更加復(fù)雜的控制方案來控制電機(jī)。借助微控制器提供的數(shù)學(xué)處理能力，可以實(shí)施先進(jìn)的控制策略，這些策略使用數(shù)學(xué)變換將永磁電機(jī)中的扭矩生成和磁化功能解耦。這種解耦的扭矩和磁化控制通常稱為轉(zhuǎn)子磁通定向控制、矢量控制，或簡(jiǎn)稱磁場(chǎng)定向控制 (FOC)。

在直流 (DC) 電機(jī)中，定子和轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁是獨(dú)立控制的，產(chǎn)生的扭矩和磁通可以獨(dú)立調(diào)整，如圖 3-2 所示。磁場(chǎng)激勵(lì)強(qiáng)度（例如，磁場(chǎng)激勵(lì)電流的振幅）決定了磁通的大小。通過轉(zhuǎn)子繞組的電流確定了扭矩是如何生成。轉(zhuǎn)子上的換向器在扭矩產(chǎn)生過程中發(fā)揮著有趣的作用。換向器與電刷接觸，這個(gè)機(jī)械構(gòu)造旨在將電路切換至機(jī)械對(duì)齊的繞組以產(chǎn)生最大的扭矩。這樣的安排意味著，電機(jī)的扭矩產(chǎn)生在任何時(shí)候都非常接近于理想情況。這里的關(guān)鍵點(diǎn)是，通過管理繞組以保持轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的磁通與定子磁場(chǎng)垂直。

圖 3-2 在直流電機(jī)模型中磁通和扭矩是獨(dú)立控制的

同步和異步電機(jī)上 FOC 的目的在于能夠分別控制扭矩生成分量和磁化磁通分量。FOC 算法可實(shí)現(xiàn)扭矩和定子電流磁化磁通分量的解耦。借助于磁化的去耦合控制，定子磁通的扭矩生成分量現(xiàn)在可以被看成是獨(dú)立扭矩控制。為了將扭矩和磁通解耦，有必要進(jìn)行若干數(shù)學(xué)變換，此時(shí)微控制器便會(huì)充分發(fā)揮其價(jià)值。利用微控制器提供的處理能力，可以非?？焖俚貓?zhí)行使這些數(shù)學(xué)變換。相應(yīng)地，這意味著控制電機(jī)的整個(gè)算法可以高速執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)更高的動(dòng)態(tài)性能。除了解耦，還可以使用電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型來計(jì)算很多值，如轉(zhuǎn)子磁通角和轉(zhuǎn)子速度，從而提高控制質(zhì)量。

根據(jù)電磁定律，同步電機(jī)中產(chǎn)生的扭矩等于兩個(gè)現(xiàn)有磁場(chǎng)的矢量叉積，如方程式 15 所示。

該表達(dá)式表明，如果定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)正交，即呈 90 度，則扭矩最大。如果可以一直保持此條件且磁通可以正確定向，則會(huì)減小扭矩波動(dòng)并提供更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。然而，若要如此，必須知道轉(zhuǎn)子位置：這可以通過物理位置傳感器（如增量編碼器）或無傳感器轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器來實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)定子磁通與轉(zhuǎn)子磁通正交對(duì)齊的目標(biāo)，（直接，正交）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中定子電流的 d 軸分量應(yīng)設(shè)置為零。(d, q) 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系在節(jié) 3.1.1.1.2中有更詳細(xì)的說明。當(dāng)此條件為真時(shí)，定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通正交對(duì)齊。定子電流的 d 軸分量還可以在某些情況下用于弱磁，這樣可以減少反電動(dòng)勢(shì)，使電機(jī)以更高的速度運(yùn)行。

FOC 包含控制由一個(gè)矢量表示的定子電流。這個(gè)控制所基于的設(shè)計(jì)是，將三相時(shí)間和速度相關(guān)系統(tǒng)變換為兩坐標(biāo)（d 和 q 坐標(biāo)）非時(shí)變系統(tǒng)。這些設(shè)計(jì)導(dǎo)致一個(gè)與 DC 機(jī)器控制結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)。FOC 電機(jī)需要兩個(gè)常量作為輸入基準(zhǔn)：轉(zhuǎn)矩分量（與 q 坐標(biāo)對(duì)齊）和磁通分量（與 d 坐標(biāo)對(duì)齊）。由于 FOC 完全基于這些設(shè)計(jì)，此控制結(jié)構(gòu)處理即時(shí)電量。這使得在每次的工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程中（穩(wěn)定狀態(tài)和瞬態(tài)）均可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制，并且與受限帶寬數(shù)學(xué)模型無關(guān)。因此，F(xiàn)OC 通過以下方式解決了經(jīng)典電機(jī)控制方案存在的問題：

• 輕松達(dá)到恒定基準(zhǔn)（定子電流的扭矩分量和磁通分量）
• 輕松應(yīng)用直接扭矩控制，這是因?yàn)樵?(d, q) 坐標(biāo)系中，扭矩的表達(dá)式定義如方程式 16 所示。
  方程式 16. ${\tau }_{\mathrm{e}\mathrm{m}}\propto {\psi }_{\mathrm{R}}\times {\mathrm{i}}_{\mathrm{s}\mathrm{q}}$

通過將轉(zhuǎn)子磁通 (ψ_R) 的振幅保持在一個(gè)固定值，在扭矩和扭矩分量 (i_Sq) 之間實(shí)現(xiàn)線性關(guān)系。因此，可通過控制定子電流矢量的轉(zhuǎn)矩分量來控制轉(zhuǎn)矩。