电机磁场定向控制 (FOC) 可实现出色的转矩控制、更低的转矩纹波，相对于传统交流控制技术，这项技术在很多情况下还可提升效率。为了实现最佳动态响应，转子磁通基准控制算法更适用于定子磁通基准技术。为了正确运行，这些系统需要知道相对于定子框（通常为相位 A 定子线圈的磁轴）上一个固定点的转子磁通空间角。传统上，这已经由安装在电机转轴上的一个机械传感器（例如，编码器或解算器）完成。这些传感器提供出色的角反馈，但是给系统设计带来很大负担。

如 图 2-4 所示，传感角反馈会对系统产生 6 种主要影响：

1. 传感器本身非常昂贵（一个优质解算器的价格通常超过 2500 美元，而大容量集成编码器的价格仅几美元）
2. 安装传感器要求具有娴熟的组装技巧，这会增加劳动力成本
3. 传感器通常需要独立的电源，这会增加系统成本并降低稳定性
4. 传感器是系统中最精密的组件，它可影响系统稳定性，在恶劣环境应用中更是如此
5. 传感器反馈信号通过连接器接回至控制器电路板，这也会增加系统成本并大幅降低稳定性，具体取决于所用的连接器类型。
6. 将传感器信号传回控制器所需的电缆对系统设计人员提出了多重挑战。
   • 所用电缆产生额外成本，特别是当电机和控制器之间的距离较远时
   • 对于噪声源的敏感性，具有特殊屏蔽层或双绞线的电缆会增加成本
   • 出于安全考虑，传感器和相关电缆必须接地。隔离这些信号通常需要增加额外成本，特别是在处理传感器信号的处理器未接地的情况下

图 1-4 传感 FOC 系统

在某些电机处于封闭环境中的应用中（例如，压缩机），由于受通过外壳获得反馈电线的成本的影响，传感解决方案不太现实。由于这些原因，FOC 系统设计人员很愿意通过处理那些可在控制器电路板上获得的信号来完全免除对传感器的需要，并且获得转子磁通角信息。对于同步机器，大多数与执行电机软件模型相关的技术受到控制，以估计反电势波形（转子磁通），然后对这些感测到的波形进行处理，以便提取转子转轴角的估计值，并且推导出它的速度。对于异步机器，过程有一些复杂，这是因为软件模型（观测器）还必须解决存在于转子和转子磁通之间的转速差。

然而，在这两个情况下，由于反电势波形的振幅与电机速度直接成比例，性能在较低速时会受到影响（假定无磁通减弱）。由于反电势振幅下降至噪底，或者如果模数转换器 (ADC) 的分辨率不能如实地复制小型反电势信号，那么信号估计失败，并且电机驱动性能受到影响。

为了解决低速问题，必须依靠高频注入来创建一些技巧，来将磁异测量为角度的一个函数（即，磁凸极），以实现低至零速度的准确角度重建。然而，这会引入另外一组控制问题。首先，凸极信号对于异步电机是不存在的，而且对于大多数同步机器来说，这个信号的值也很小（特别是那些具有表面贴装转子磁体的机器）。对于那些的确表现出很强凸极信号的电机（例如，IPM 电机），信号经常相对于转子角以负载的一个函数发生位移，必须对这一信号位移进行补偿。最后，这个角度测量技巧只在速度较低时起作用，此时，电机基频不会干扰询问频率。此控制系统必须创建一个混合控制策略，在低速时使用高频注入跟踪，然后在标称和高速时移动进入基于反电势的观测器。

借助于任一技巧，产生一个稳定软件传感器的过程也是十分具有挑战性的，这是因为从本质上说，这个电机模型（观测器）是其自己的控制系统，此控制系统需要在使用范围内根据每个电机进行调整。这个调整必须由一个稳定的正向控制环路完成。所需的是一个稳定的转矩（通常为速度）环路来调整观测器，但是您如何在不具有可用观测器的情况下预先调整您的正向控制呢？一个选择就是使用一个用于反馈的机械传感器来创建稳定电流和速度环路，然后调整与机械传感器并联的软件传感器。然而，机械传感器的使用通常是不现实的。这一问题已经推迟了用于控制无传感器 FOC 的软件传感器的上市。 

总之，这些现有的解决方案全都受到不同问题的影响，其中包括：

• 较差的低速性能（反电势和滑模观测器 (SMO)）
• 较差的高速性能（凸极观测器）
• 不良的动态响应
• 计算强度（多模观测器）
• 参数灵敏度
• 需要观测器调整

无传感器控制革命的最新创新是 InstaSPIN-FOC。在嵌入在 TI 处理器内的片上 ROM 中提供 C 语言的可调用库，InstaSPIN-FOC 被创建用来解决全部这些问题，以及更多问题。它减少了系统成本和开发时间，同时提升了三相可变速度电机系统的性能。这主要通过将机械传感器替代为专有 FAST 估算器来实现。FAST 是一款估算器，它能够：

• 与所有三相电机高效协同工作，并将同步/异步、凸极/非凸极和永磁/非永磁/感应磁体之间的差异考虑在内
• 对于多种应用，大幅提升了整个工作频率和负载范围内的性能和稳定性
• 解决了传统 FOC 系统的手工调整困难：
  • 观测器和估算器，完全免去了所需调整
  • 电流环路稳压器，大大减少了所需调整
• 消除或减少了电机参数变化的影响
• 在少于 2 分钟的时间里，为大多数电机自动设计一个稳定且实用的控制系统。