为了实现更好的动态性能，需要采用更加复杂的控制方案来控制 PM 电机。借助微控制器提供的数学处理能力，可以实施先进的控制策略，这些策略使用数学变换将永磁电机中的扭矩生成和磁化功能解耦。这种解耦的扭矩和磁化控制通常称为转子磁通定向控制，或简称为场定向控制 (FOC)。

在直流 (DC) 电机中，定子和转子的励磁是独立控制的，产生的扭矩和磁通可以独立调整，如图 3-2 所示。磁场激励强度（例如，磁场激励电流的振幅）决定了磁通的大小。通过转子绕组的电流确定了扭矩是如何生成。转子上的换向器在扭矩产生过程中发挥着有趣的作用。换向器与电刷接触，这个机械构造旨在将电路切换至机械对齐的绕组以产生最大的扭矩。这样的安排意味着，电机的扭矩产生在任何时候都非常接近于理想情况。这里的关键点是，通过管理绕组以保持转子绕组产生的磁通与定子磁场垂直。

图 3-2 在直流电机模型中磁通和扭矩是独立控制的

同步和异步电机上 FOC（也被称为矢量控制）的目的在于能够分别控制转矩生成和磁化磁通分量。FOC 控制可实现转矩和定子电流磁化磁通分量的去耦。借助于磁化的去耦合控制，定子磁通的扭矩生成分量现在可以被看成是独立扭矩控制。为了去耦合扭矩和磁通，有必要采用几个数学变换，而这是最能体现微控制器价值的地方。微控制器提供的处理能力可非常快速地执行使这些数学变换。反过来，这意味着控制电机的整个算法可以高速率执行，从而实现了更高的动态性能。除了去耦合，现在一个电机的动态模型被用于很多数量的计算，例如转子磁通角和转子速度。这意味着，它们的影响被计算在内，并且总体控制质量更佳。

根据电磁定律，同步电机中产生的扭矩等于两个现有磁场的矢量叉积，如方程式 1 所示。

该表达式表明，如果定子和转子磁场正交，则扭矩最大，这意味着我们需要将负载保持在 90 度。如果始终可以提供此条件且磁通可以正确定向，则会降低扭矩纹波并提供更好的动态响应。然而，您需要了解转子的位置：这可以通过位置传感器（诸如递增编码器）实现。对于无法接近转子的低成本应用，采用不同的转子位置观察器策略可无需使用位置传感器。

简而言之，目标是使转子和定子磁通保持正交：例如，目标是将定子磁通与转子磁通的 q 轴对齐，从而与转子磁通正交。为了实现这个目的，控制与转子磁通正交的定子电流分量以产生命令规定的扭矩，并且直接分量被设定为零。定子电流的直接分量可用在某些磁场减弱的情况下，这有抗拒转子磁通的作用，并且减少反电动势，从而实现更高速的运行。

FOC 包含控制由一个矢量表示的定子电流。这个控制所基于的设计是，将三相时间和速度相关系统变换为两坐标（d 和 q 坐标）非时变系统。这些设计导致一个与 DC 机器控制结构相似的结构。FOC 机器需要两个常数作为输入基准：转矩分量（与 q 坐标对其）和磁通分量（与 d 坐标对其）。由于 FOC 完全基于这些设计，此控制结构处理即时电量。这使得在每次的工作运转过程中（稳定状态和瞬态）均可实现准确控制，并且与受限带宽数学模型无关。因此，FOC 通过以下方式解决了传统方案存在的问题：

• 轻松达到恒定基准（定子电流的扭矩分量和磁通分量）
• 轻松应用直接扭矩控制，这是因为在 (d, q) 坐标系中，扭矩的表达式定义如方程式 2 所示。
  方程式 2. ${\tau }_{\mathrm{e}\mathrm{m}}\propto {\psi }_{\mathrm{R}}\times {\mathrm{i}}_{\mathrm{s}\mathrm{q}}$

通过将转子磁通 (ψ_R) 的振幅保持在一个固定值，在扭矩和扭矩分量 (i_Sq) 之间实现线性关系。因此，可通过控制定子电流矢量的转矩分量来控制转矩。