การควบคุมแบบ Field-oriented control ( FOC ) หรือที่เรียกว่าvector controlเป็น วิธีการควบคุม ไดรฟ์ความถี่แปรผัน (VFD) ซึ่ง กระแส สเตเตอร์ของมอเตอร์ AC สามเฟส (เช่นBLDC ) จะถูกระบุเป็น ส่วนประกอบ ตั้งฉาก สอง ส่วนที่สามารถมองเห็นได้ด้วยเวกเตอร์ส่วนประกอบหนึ่งกำหนดฟลักซ์แม่เหล็กของมอเตอร์ อีก ส่วนประกอบหนึ่งกำหนด แรงบิดการควบคุมฟลักซ์ แม่เหล็ก ในไดรฟ์ไฟฟ้าบางครั้งเรียกว่าการควบคุมฟลักซ์ ซึ่งหมายถึงการควบคุมฟลักซ์และแรงบิดแบบแยกส่วนในระบบควบคุมแบบ field-oriented control ระบบควบคุมของไดรฟ์จะคำนวณค่าอ้างอิงส่วนประกอบกระแสที่สอดคล้องกันจากค่าอ้างอิงฟลักซ์และแรงบิดที่กำหนดโดยการควบคุมความเร็ว ของไดรฟ์ โดย ทั่วไป จะใช้ ตัวควบคุมแบบสัดส่วน-อินทิกรัล (PI)เพื่อรักษาส่วนประกอบกระแสที่วัดได้ให้อยู่ที่ค่าอ้างอิง การมอดูเลชั่นความกว้างพัลส์ของไดรฟ์ความถี่แปรผันจะกำหนดการ สลับ ทรานซิสเตอร์ตามค่าอ้างอิงแรงดันสเตเตอร์ที่เป็นเอาต์พุตของตัวควบคุมกระแส PI ^{[ 1 ]}

FOC ใช้สำหรับควบคุม มอเตอร์ ซิงโครนัสและมอเตอร์เหนี่ยวนำAC ^{[ 2 ]}เดิมทีพัฒนาขึ้นเพื่อใช้กับมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงที่ต้องทำงานได้อย่างราบรื่นตลอด ช่วง ความเร็วสร้างแรงบิด เต็มที่ ที่ความเร็วศูนย์และมีประสิทธิภาพไดนามิกสูง รวมถึงการเร่งความเร็วและการลดความเร็วอย่างรวดเร็วอย่างไรก็ตาม กำลังเป็นที่น่าสนใจมากขึ้นสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่าเช่นกัน เนื่องจาก FOC มีข้อดีในการลด ขนาดมอเตอร์ ต้นทุน และ การใช้พลังงาน^{[ 3 ] [ 4 ]}คาดว่าด้วยกำลังการประมวลผลของไมโครโปรเซสเซอร์ที่เพิ่มขึ้น ในที่สุดมันจะเข้ามาแทนที่การควบคุมแบบสเกลาร์ ตัวแปรเดียว ( โวลต์ต่อเฮิรตซ์ , การควบคุม V/f) เกือบทั้งหมด ^{[ 5 ] [ 6 ]}

K. Hasse จาก Technische Universität Darmstadt และ F. Blaschke จาก Siemens เป็นผู้บุกเบิก การควบคุม เวกเตอร์ของมอเตอร์ AC ตั้งแต่ปี 1968 และช่วงต้นทศวรรษ 1970 โดย Hasse เสนอการควบคุมเวกเตอร์ทางอ้อม และ Blaschke เสนอการควบคุมเวกเตอร์โดยตรง^{[ 7 ] [ 8 ]} Werner Leonhard จาก Technical University Braunschweig ได้พัฒนาเทคนิค FOC เพิ่มเติม และมีบทบาทสำคัญในการเปิดโอกาสให้ไดรฟ์ ACเป็นทางเลือกที่แข่งขันได้กับ ไดร ฟ์DC ^{[ 9 ] [ 10 ]}

อย่างไรก็ตาม จนกระทั่งหลังจากการวางจำหน่ายไมโครโปรเซสเซอร์ในเชิงพาณิชย์ ซึ่งก็คือในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ไดรฟ์ AC อเนกประสงค์จึงเริ่มวางจำหน่าย^{[ 11 ] [ 12 ]}อุปสรรคในการใช้ FOC สำหรับการใช้งานไดรฟ์ AC ได้แก่ ต้นทุนและความซับซ้อนที่สูงกว่า และการบำรุงรักษาที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับไดรฟ์ DC เนื่องจาก FOC ในขณะนั้นต้องการส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากในแง่ของเซ็นเซอร์ แอมพลิฟายเออร์ และอื่นๆ^{[ 13 ]}

การแปลง Parkได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการวิเคราะห์และศึกษา เครื่องจักร แบบซิงโครนัสและแบบเหนี่ยวนำมานานแล้ว การแปลงนี้เป็นแนวคิดที่สำคัญที่สุดเพียงอย่างเดียวที่จำเป็นสำหรับการทำความเข้าใจวิธีการทำงานของ FOC โดยแนวคิดนี้ได้รับการคิดค้นขึ้นครั้งแรกในบทความปี 1929 ที่เขียนโดยRobert H. Park [ ^{14 ] บทความ}ของ Park ได้รับการจัดอันดับให้เป็นบทความที่มีความสำคัญเป็นอันดับสองในแง่ของผลกระทบจากบทความที่เกี่ยวข้องกับวิศวกรรมพลังงานทั้งหมดที่เคยตีพิมพ์ในศตวรรษที่ 20 ความแปลกใหม่ของงานของ Park เกี่ยวข้องกับความสามารถของเขาในการแปลง ชุด สมการเชิงอนุพันธ์ เชิงเส้นของเครื่องจักรที่เกี่ยวข้องใดๆ จากชุดที่มีสัมประสิทธิ์แปรผันตามเวลาไปเป็นชุด ที่มี สัมประสิทธิ์คงที่ ตามเวลา ^{[ 15 ]}ส่งผลให้เกิดระบบเชิงเส้นคงที่ตามเวลาหรือระบบ LTI

ภาพรวมของแพลตฟอร์มควบคุมไดรฟ์ความถี่แปรผันที่สำคัญซึ่งเป็นคู่แข่งกัน:

แม้ว่าการวิเคราะห์การควบคุมไดรฟ์ AC อาจมีความซับซ้อนทางเทคนิคมาก ("ดูส่วนเพิ่มเติม") แต่การวิเคราะห์ดังกล่าวมักจะเริ่มต้นด้วยการสร้างแบบจำลองวงจรไดรฟ์มอเตอร์ที่เกี่ยวข้องตามแนวทางของกราฟการไหลของสัญญาณและสมการที่ แนบมาด้วย ^{[ 16 ]}

สัญลักษณ์พารามิเตอร์พื้นฐาน
ฉัน	ปัจจุบัน
เค	ค่าสัมประสิทธิ์การเชื่อมต่อของขดลวดแต่ละขด
ล	ความเหนี่ยวนำ
ร	ความต้านทาน
ที	เวลา
ที	แรงบิด
คุณ	แรงดันไฟฟ้า
${\displaystyle \psi }$	การเชื่อมโยงฟลักซ์
${\displaystyle \tau }$	เวลาปกติ
${\displaystyle \tau }$	ค่าคงที่เวลา (TC) ที่มีตัวห้อย
${\displaystyle \omega }$	ความเร็วเชิงมุม
${\displaystyle \sigma l_{s}}$	ค่าความเหนี่ยวนำรั่วไหลรวม

ตัวห้อยและตัวยก
อี	อิเล็กโตเมคานิกส์
ฉัน	แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ
เค	อ้างอิงถึงพิกัด k
แอล	โหลด
ม	ความเหนี่ยวนำร่วม
ม	เชิงกล (TC, ความเร็วเชิงมุม)
ร	โรเตอร์
อาร์	มูลค่าที่ได้รับการจัดอันดับ
ส	สเตเตอร์
${\displaystyle '}$	หมายถึงค่าคงที่เวลาชั่วคราว

ในการควบคุมเวกเตอร์ มอเตอร์เหนี่ยวนำ AC หรือมอเตอร์ซิงโครนัสจะถูกควบคุมภายใต้สภาวะการทำงานทั้งหมดเหมือนกับมอเตอร์ DC ที่กระตุ้น แยกกัน ^{[ 21 ]}กล่าวคือ มอเตอร์ AC ทำงานเหมือนมอเตอร์ DC ซึ่งการเชื่อมโยงฟลักซ์สนามและ การเชื่อมโยงฟลักซ์ อาร์มาเจอร์ที่สร้างขึ้นโดยกระแสสนามและอาร์มาเจอร์ (หรือส่วนประกอบแรงบิด) ตามลำดับจะอยู่ ในแนวตั้ง ฉากกันดังนั้นเมื่อมีการควบคุมแรงบิด การเชื่อมโยงฟลักซ์สนามจะไม่ได้รับผลกระทบ จึงทำให้สามารถตอบสนองแรงบิดแบบไดนามิกได้

การควบคุมเวกเตอร์จึงสร้างเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้ามอเตอร์ PWMสามเฟสที่ได้มาจากเวกเตอร์แรงดันไฟฟ้าที่ซับซ้อน เพื่อควบคุมเวกเตอร์กระแสไฟฟ้าที่ซับซ้อนซึ่งได้มาจากอินพุตกระแสไฟฟ้าสเตเตอร์สามเฟสของมอเตอร์ผ่าน การฉายภาพหรือการหมุน ไปมาระหว่างระบบความเร็วสามเฟสและขึ้นอยู่กับเวลา และระบบพิกัดสอง เฟสที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลาในกรอบอ้างอิงการหมุนของเวกเตอร์เหล่านี้^{[ 22 ]}

เวกเตอร์กระแสส เตเตอร์ที่ซับซ้อนดังกล่าวสามารถกำหนดได้ในระบบพิกัด (d,q) โดยมีส่วนประกอบตั้งฉากตามแกน d (โดยตรง) และ q (ควอดราเจอร์) โดยที่ส่วนประกอบของกระแสเชื่อมโยงฟลักซ์สนามจะเรียงตัวตามแกน d และส่วนประกอบของกระแสแรงบิดจะเรียงตัวตามแกน q ^{[ 21 ]}ระบบพิกัด (d,q) ของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามารถซ้อนทับกับ ระบบ ไซน์ สามเฟสทันที (a,b,c) ของมอเตอร์ ได้ดังแสดงในภาพประกอบ (เฟส b และ c ไม่แสดงเพื่อความชัดเจน) ส่วนประกอบของเวกเตอร์กระแสระบบ (d,q) ช่วยให้สามารถควบคุมแบบดั้งเดิมได้ เช่นการควบคุมแบบสัดส่วนและอินทิกรัล หรือ PIเช่นเดียวกับมอเตอร์ DC

การฉายภาพที่เกี่ยวข้องกับระบบพิกัด (d,q) โดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับ: ^{[ 16 ] [ 22 ] [ 23 ]}

• การฉายภาพไปข้างหน้าจากกระแสทันทีไปยัง (a,b,c) การแสดงเวกเตอร์พื้นที่กระแสสเตเตอร์เชิงซ้อนของระบบไซน์สามเฟส
• การฉาย ภาพไปข้างหน้าจากสามเฟสเป็นสองเฟส (a,b,c) ไปยัง ( , ) โดยใช้ การแปลง คลาร์กการใช้งานการควบคุมเวกเตอร์มักจะถือว่ามอเตอร์ไม่ได้ต่อลงดินและมีกระแสสามเฟสที่สมดุล ดังนั้นจึงต้องตรวจจับเพียงสองเฟสของกระแสของมอเตอร์เท่านั้น นอกจากนี้ การฉายภาพย้อนกลับจากสองเฟสเป็นสามเฟส ( , ) ไปยัง (a,b,c) ใช้ตัวปรับสัญญาณ PWM เวกเตอร์เชิงพื้นที่หรือการแปลงคลาร์กผกผันและตัวปรับสัญญาณ PWM อื่นๆ${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$
• การฉายภาพ เฟสสองต่อสองไปข้างหน้าและย้อนกลับ ( , )-to-(d,q) และ (d,q)-to-( , ) โดยใช้การแปลง Park และการแปลง Park ผกผัน ตามลำดับ${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$

แนวคิดของการใช้การแปลงปาร์คคือการแปลงระบบกระแสและแรงดันสามเฟสให้เป็นระบบเชิงเส้นคงที่ตามเวลาแบบสองพิกัด การทำให้ระบบเป็น LTI ช่วยให้สามารถใช้ตัวควบคุม PI ที่เรียบง่ายและง่ายต่อการใช้งานได้ อีกทั้งยังช่วยลดความซับซ้อนในการควบคุมกระแสที่สร้างฟลักซ์และแรงบิดด้วย

อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่เรื่องแปลกที่แหล่งข้อมูลจะใช้การแปลงแบบผสมผสานจากสามเป็นสอง (a,b,c) เป็น (d,q) และการฉายภาพผกผัน

ในขณะที่การหมุนระบบพิกัด (d,q) สามารถตั้งค่าความเร็วได้ตามต้องการ แต่มีความเร็วหรือเฟรมอ้างอิงที่ต้องการสามแบบ: ^{[ 17 ]}

• กรอบอ้างอิงคงที่ซึ่งระบบพิกัด (d,q) ไม่หมุน
• กรอบอ้างอิงที่หมุนพร้อมกัน โดยที่ระบบพิกัด (d,q) หมุนด้วยความเร็วพร้อมกัน
• กรอบอ้างอิงโรเตอร์ที่ระบบพิกัด (d,q) หมุนด้วยความเร็วรอบโรเตอร์

ดังนั้น แรงบิดและกระแสสนาม ที่แยกออกจากกันจึงสามารถหาได้จากอินพุตกระแสสเตเตอร์ดิบสำหรับการพัฒนาอัลกอริธึมควบคุม^{[ 24 ]}

ในขณะที่ส่วนประกอบสนามแม่เหล็กและแรงบิดในมอเตอร์ DC สามารถทำงานได้ค่อนข้างง่ายโดยการควบคุมกระแสสนามและกระแสอาร์มาเจอร์แยกกัน การควบคุมมอเตอร์ AC อย่างประหยัดในการใช้งานความเร็วแปรผันจำเป็นต้องมีการพัฒนาการควบคุมแบบใช้ไมโครโปรเซสเซอร์^{[ 24 ]}โดยปัจจุบันไดรฟ์ AC ทั้งหมดใช้เทคโนโลยีการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) ที่ทรงพลัง ^{[ 25 ]}

อินเวอร์เตอร์สามารถนำไปใช้ได้ทั้งแบบ ไม่มีเซ็นเซอร์ แบบวงเปิดหรือแบบวงปิด FOC โดยข้อจำกัดที่สำคัญของการทำงานแบบวงเปิดคือความเร็วต่ำสุดที่เป็นไปได้ที่แรงบิด 100% ซึ่งก็คือประมาณ 0.8 Hz เมื่อเทียบกับการหยุดนิ่งสำหรับการทำงานแบบวงปิด^{[ 9 ]}

มีวิธีการควบคุมเวกเตอร์สองวิธี คือ การควบคุมเวกเตอร์โดยตรงหรือแบบป้อนกลับ (DFOC) และการควบคุมเวกเตอร์ทางอ้อมหรือ แบบป้อน ไปข้างหน้า (IFOC) โดย IFOC เป็นที่นิยมใช้มากกว่า เนื่องจากในโหมดวงปิด ไดรฟ์ดังกล่าวสามารถทำงานได้ง่ายกว่าตลอดช่วงความเร็วตั้งแต่ความเร็วศูนย์ถึงความเร็วสูงที่ทำให้สนามอ่อนลง^{[ 26 ]}ใน DFOC สัญญาณป้อนกลับขนาดฟลักซ์และมุมจะถูกคำนวณโดยตรงโดยใช้แบบจำลองแรงดันหรือกระแสที่เรียกว่า ใน IFOC สัญญาณป้อนไปข้างหน้าของมุมพื้นที่ฟลักซ์และขนาดฟลักซ์จะวัดกระแสสเตเตอร์และ ความเร็ว โรเตอร์ก่อน จากนั้นจึงหาค่ามุมพื้นที่ฟลักซ์ที่เหมาะสมโดยการรวมมุมโรเตอร์ที่สอดคล้องกับความเร็วโรเตอร์และค่าอ้างอิงที่คำนวณได้ของ มุม สลิปที่สอดคล้องกับความถี่สลิป^{[ 27 ] [ 28 ]}

การควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์ (ดูแผนภาพบล็อก Sensorless FOC) ของไดรฟ์ AC เป็นสิ่งที่น่าสนใจเนื่องจากต้นทุนและความน่าเชื่อถือ การควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์ต้องอาศัยการหาค่าความเร็วรอบของโรเตอร์จากแรงดันและกระแสสเตเตอร์ที่วัดได้ ร่วมกับตัวประมาณค่าแบบวงเปิดหรือตัวสังเกตแบบวงปิด^{[ 16 ] [ 20 ]}

1. กระแสเฟสของสเตเตอร์จะถูกวัดและแปลงเป็นเวกเตอร์เชิงซ้อนในระบบพิกัด (a,b,c)
2. กระแสไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็น ระบบพิกัด( , ) เมื่อแปลงเป็นระบบพิกัดที่หมุนในกรอบอ้างอิงของโรเตอร์ แล้ว ตำแหน่งของโรเตอร์จะถูกหาได้จาก การอินทิเก รต ความเร็วโดยใช้เซ็นเซอร์วัดความเร็ว${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$
3. เวกเตอร์ การเชื่อมโยงฟลักซ์ของโรเตอร์ประมาณได้จากการคูณเวกเตอร์กระแสสเตเตอร์ด้วยค่าความเหนี่ยวนำแม่เหล็ก L _mและกรองผลลัพธ์ด้วยค่าคงที่เวลาขณะ ไม่มีโหลดของโรเตอร์ L _r /R _rซึ่งก็คืออัตราส่วนของค่าความเหนี่ยวนำต่อค่าความต้านทานของโรเตอร์
4. เวกเตอร์กระแสไฟฟ้าถูกแปลงเป็นระบบพิกัด (d,q)
5. ส่วนประกอบแกน d ของเวกเตอร์กระแสสเตเตอร์ใช้ในการควบคุมการเชื่อมโยงฟลักซ์ของโรเตอร์ และส่วนประกอบแกน q ที่เป็นจินตนาการใช้ในการควบคุมแรงบิดของมอเตอร์ แม้ว่าตัวควบคุม PI จะสามารถใช้ควบคุมกระแสเหล่านี้ได้ แต่ การควบคุมกระแสแบบ Bang-bangให้ประสิทธิภาพเชิงไดนามิกที่ดีกว่า
6. ตัวควบคุม PI ให้ส่วนประกอบแรงดันพิกัด (d,q) บางครั้งมีการเพิ่มเทอมการแยกส่วน (decoupling term) เข้าไปในเอาต์พุตของตัวควบคุมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการควบคุม ลดการเชื่อมโยงข้าม (cross coupling) หรือการเปลี่ยนแปลงความเร็ว กระแส และฟลักซ์แม่เหล็กอย่างรวดเร็วและมาก ตัวควบคุม PI บางครั้งยังต้องการการกรองความถี่ต่ำ (low-pass filtering ) ที่อินพุตหรือเอาต์พุตเพื่อป้องกันไม่ให้กระแสริปเปิลที่เกิดจากการสลับทรานซิสเตอร์ถูกขยายมากเกินไปและทำให้การควบคุมไม่เสถียร อย่างไรก็ตาม การกรองดังกล่าวก็จำกัดประสิทธิภาพของระบบควบคุมแบบไดนามิกด้วยเช่นกัน ความถี่ในการสลับสูง (โดยทั่วไปมากกว่า 10 kHz) มักจำเป็นเพื่อลดความต้องการการกรองสำหรับไดรฟ์ประสิทธิภาพสูง เช่น เซอร์โวไดรฟ์
7. ส่วนประกอบของแรงดันไฟฟ้าจะถูกแปลงจากระบบพิกัด (d,q) ไปยังระบบพิกัด ( , )${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$
8. ส่วนประกอบแรงดันไฟฟ้าจะถูกแปลงจากระบบพิกัด ( , ) ไปยังระบบพิกัด (a,b,c) หรือป้อนเข้าสู่ ตัวปรับสัญญาณ แบบ Pulse-Width Modulation (PWM)หรือทั้งสองอย่าง เพื่อส่งสัญญาณไปยังส่วนอินเวอร์เตอร์กำลัง${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$

ประเด็นสำคัญในการประยุกต์ใช้การควบคุมพาหะนำโรค:

• จำเป็นต้องมีการวัดความเร็วหรือตำแหน่ง หรือการประมาณค่าบางอย่าง
• แรงบิดและฟลักซ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างรวดเร็วพอสมควร โดยใช้เวลาไม่เกิน 5-10 มิลลิวินาที ด้วยการเปลี่ยนค่าอ้างอิง
• การตอบสนองแบบขั้นบันไดจะมีค่าเกิน เล็กน้อย หากใช้การควบคุมแบบ PI
• โดยปกติแล้ว ความถี่ในการสลับการทำงานของทรานซิสเตอร์จะคงที่และถูกกำหนดโดยตัวปรับสัญญาณ
• ความแม่นยำของแรงบิดขึ้นอยู่กับความแม่นยำของพารามิเตอร์มอเตอร์ที่ใช้ในการควบคุม ดังนั้นจึงมักพบข้อผิดพลาดขนาดใหญ่เนื่องจากสาเหตุต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของโรเตอร์
• จำเป็นต้องมีประสิทธิภาพการประมวลผลที่เหมาะสม โดยทั่วไปแล้วอัลกอริธึมควบคุมจะถูกคำนวณทุกรอบการทำงานของ PWM

แม้ว่าอัลกอริธึมควบคุมเวกเตอร์จะซับซ้อนกว่าการควบคุมแรงบิดโดยตรง (DTC) แต่ก็ไม่จำเป็นต้องคำนวณบ่อยเท่ากับอัลกอริธึม DTC นอกจากนี้เซ็นเซอร์วัดกระแสไฟฟ้าก็ไม่จำเป็นต้องเป็นรุ่นที่ดีที่สุดในตลาด ดังนั้นต้นทุนของโปรเซสเซอร์และฮาร์ดแวร์ควบคุมอื่นๆ จึงต่ำกว่า ทำให้เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่ไม่ต้องการประสิทธิภาพสูงสุดของ DTC