無刷直流（BLDC）電機因其高效、可靠和低維護需求而得到廣泛應用。然而，控制這類電機面臨諸多挑戰，尤其是在實現平穩、高效運行方面。本文將探討磁場定向控制（FOC）作為一種先進的方法如何優化BLDC電機性能、減少轉矩紋波并提升整體效率。

盡管BLDC電機具有諸多優勢，但其控制的復雜性——涉及精確的電子換向和反饋機制——給設計工作帶來了巨大挑戰。

BLDC電機通過在定子中產生旋轉磁場并與轉子中的永磁體相互作用而工作。不同于傳統電機使用機械電刷進行換向，BLDC電機依賴電子控制器來切換定子繞組中的電流。這種電子換相對于精確控制至關重要，但也增加了系統的復雜性。

電氣驅動相對復雜，通常需要高頻率的三相120度相位差交流電，并利用脈寬調制（PWM）來產生所需的轉速和轉矩。

BLDC電機在可控性、效率及重量方面的潛力，推動了新型集成驅動解決方案的開發；這些解決方案已應用于從工業到家用電器等多個市場，以及無人機和電動自行車等新興領域。

BLDC電機基礎知識

最簡單的BLDC電機控制方式是六步或梯形波驅動；其中三個定子繞組按固定順序依次通電。盡管這種方法易于實現，但由于轉子和定子磁場的非理想對齊，會導致轉矩紋波的產生。理想的解決方案是使用正弦波驅動方式以產生平滑的旋轉磁場，使其始終與轉子完美對齊。然而，實現這一點需要復雜的控制算法和準確的轉子位置反饋。

轉子所受的力并非始終處于期望的切線方向——隨著電機旋轉，會存在周期性的徑向分量。這不僅不會產生軸轉矩，反而只會降低效率、造成發熱，并導致所謂的“轉矩紋波”（圖1，左）。這種簡單的驅動被稱為六步或“梯形波”。理想情況下，應使用正弦波而非通過通斷驅動來激勵繞組（圖1，右），以使定子線圈產生平滑旋轉的磁場，然后控制交流勵磁電流，使得由此產生的磁場角度始終垂直于轉子磁鐵的磁場。

圖1，BLDC電機的六步梯形波驅動與正弦波驅動波形對比

這樣可以通過360度旋轉獲得最大切向力和轉矩，從而實現最小的轉矩紋波和最高的效率。為達成這一目標，不僅須精確確定轉子的角位置，同時還必須控制定子電流，因為這決定了在任意時刻，由三個繞組共同作用所產生磁場的強度與方向。圖2給出了一個示例——當轉子處于該位置，且磁場方向為N-S時，如果定子磁場方向與灰色雙箭頭方向一致，即呈90度角，則磁體將獲得最大轉矩。這種情況發生在W和V繞組產生的磁場在某一極性下相等，而U繞組產生的磁場在相反極性下達到最大值之時；對應于驅動電流波形中的 A-B位置。

圖2，轉子轉矩應為切向，以發揮最大效果

僅僅在正確的相位上對三個繞組施加和控制正弦電壓并不能實現精確控制，因為繞組電感、反電動勢和其它效應會導致電流及磁場發生相移。這正是磁場定向控制（FOC）的作用所在；它通過優化繞組電流來動態校正定子磁場的幅度與方向，以匹配實時測量的轉子位置。

利用磁場定向控制優化轉矩

FOC通過將三相定子電流轉換為兩個正交分量來工作：一個代表產生轉矩的分量（IQ），另一個代表磁化分量（ID）。這兩個分量可以獨立控制，以實現所需的電機性能。

FOC涉及多個數學變換。首先，“克拉克（Clarke）”變換將三相電流轉換為兩軸系統（Iα和Iβ）。然后， “帕克（Park）”變換將這些軸旋轉，與轉子位置對齊，得到直軸分量（ID）和正交分量（IQ）電流。通過控制這些電流，FOC在整個電機運行過程中保持最佳轉矩輸出。

定子繞組電流以及由此產生的磁場強度和方向可以在一個共同的靜態坐標系中表示為三個相隔120度的旋轉矢量。如果電流IU、IV和IW始終保持平衡，總和為零，則可以通過“克拉克”變換將其簡化為兩個在靜態框架中相隔90度的旋轉矢量，即幅度為Iα和Iβ的矢量：

接下來，需要將這些轉換為在旋轉參考平面上的靜態矢量ID（直軸分量）和IQ（正交分量），以便將其與轉子旋轉時的位置相關聯。我們通過“帕克”變換實現這一點，其中θ為轉子相對于靜態Iα和Iβ框架的角度：

在穩態條件下，ID和IQ為恒定值，可分別解釋為定子繞組電流中表示切向轉矩和不需要的徑向轉矩分量。這些值現在可以作為反饋環的輸入，通常使用比例積分（PI）控制器來工作，以最大化IQ并最小化ID至零。由此產生的誤差放大器輸出VD和VQ經過反向帕克變換及反向克拉克變換，隨后進行脈寬調制，以驅動功率級，生成三個正弦波定子繞組電流。PI控制器中的可編程增益值Kp和Ki需要分別針對瞬態響應和穩態精度進行優化，并且很大程度上取決于實際的電機參數，特別是繞組電阻和電感。然而，Qorvo等公司提供的高級FOC控制器具有自動調諧功能，能夠“學習”所連接電機的特性。使用FOC的BLDC電機控制器的框圖如圖3所示。

圖3，使用磁場定向控制（FOC）的典型BLDC電機控制器

從FOC中獲益最多的應用包括那些要求噪音和振動最小、諧波含量最低以及能夠以高于額定轉速運行的應用。在FOC中，這通過一種稱為“磁場削弱”的技術來實現，即減小ID電流至負值來有意降低反電動勢。這就削減了轉子有效磁場，從而允許更高的速度，但以犧牲轉矩為代價。

測量轉子位置和定子繞組電流

FOC的關鍵在于準確確定轉子的位置，可以通過使用霍爾效應傳感器或旋轉編碼器等傳感器來實現。在無傳感器設計中，轉子位置是基于反電動勢信號進行估算的，但這種方法精度較低，需要復雜的算法。

高性能FOC依賴于對轉子角位置和定子繞組電流的精確測量。轉子角位置可以通過多種方式來確定。在使用梯形波驅動時，當一個繞組斷電時，可以利用反電動勢的過零點來指示角位置；這種方法成本低且精度高。然而在FOC中，所有繞組都持續通電驅動，因此需要采用其它方法。一種“無傳感器”技術通過繞組電流、電壓和電機特性模型來推斷位置，但這種方法在高負載下不易啟動，并且需要控制器提供強大的處理能力。另一種途徑是先從梯形波驅動開始，感應反電動勢，然后在電機開始旋轉后切換到正弦FOC。對于基于傳感器的解決方案，霍爾傳感器通過簡單的接口解決了這個問題，允許在高負載條件下啟動并實現更精確的轉矩控制。另一種確定位置測量的方法是利用具有正交輸出的磁解析器或編碼器，這是一種較昂貴但精度極高的解決方案，同時還能感應旋轉方向。

繞組電流的測量也可以通過不同的方式進行。最準確的方法是利用電阻感測和三個ADC同時采樣三個繞組電流。

然而，采樣的時點至關重要，以避免受到嘈雜的PWM開關邊沿的影響。為獲得最佳精度，可將電阻直接串聯在繞組上；但由于測得的電壓沒有接地參考，且存在高共模波形電平，處理起來較為困難，因此更好的解決方案是測量逆變器支路電流（圖4左側）。對于成本敏感型應用，可以使用單個分流電阻，因為它可以有效地測量直流鏈路電流（圖4右側）。單分流方法僅需要一個ADC，但該技術存在局限性――如果活動矢量持續時間小于最小測量時間，則電流測量將不準確。為了糾正這一點，可能需要采用“非對稱”電流采樣來提供更好的信號質量。

圖4，BLDC 電機電流監測方法；

左側為三分流法，右側為單分流法

實施FOC的關鍵在于精準調控電機定子電流，而繞組的電感特性與反電動勢等因素則增加了這一過程的挑戰性。Qorvo推出的PAC5xxx系列等現代集成電路將所有必要功能集成到單一芯片中，以簡化這一過程。該系列IC不僅提供自動調諧、無傳感器操作，還擁有全面的診斷功能，從而使FOC技術變得更加易于應用，并適用于更廣泛的領域。

除了基本的電機控制功能外，這些先進的控制器還支持如磁場削弱等高級功能；該功能允許電機通過降低轉子磁場強度而超越其基礎速度運行。這在電動汽車或工業機械等需要較寬轉速范圍的應用中尤為有用。

所有用于BLDC電機的梯形波控制或磁場定向控制功能均可集成至單芯片控制器中；典型產品如Qorvo基于ARM@ Cortex處理器架構的PAC5xxx系列控制器。這些器件高度可配置，適用于最高達3kHz的電氣轉速。

控制模式包括轉矩、速度和功率，同時擁有無傳感器、霍爾傳感器或正交編碼器位置感測選項，并可使用單分流或三分流電流感測。為確保順利啟動，控制器還包含梯形波/FOC混合模式，并具有自動調諧功能，可識別電機參數以實現最佳性能。控制器支持磁場削弱，并提供如欠壓、過溫、堵轉和開相檢測等多種保護特性；所有問題均由板載診斷功能報告。其中一個版本甚至包括適用于低功耗應用（如手持設備和工具）的電機驅動MOSFET。各項功能均可借助圖形用戶界面（GUI）進行配置，并通過參考固件、應用筆記、編程指南、軟件開發套件和硬件評估套件帶來全面支持。

FOC特別適用于對精度、效率和平穩運行要求極高的應用；包括電動汽車以及工業自動化領域――對于前者，平穩的轉矩傳遞對于舒適性和性能至關重要；對于后者，能源效率和可靠性則是關鍵考量。此外，在家用電器中使用FOC也有助于滿足嚴格的能效標準，同時保持性能水平。

結論

磁場定向控制（FOC）為優化BLDC電機性能提供了一種先進的解決方案，可實現更高的效率、更小的轉矩紋波，和更高的控制精度。隨著集成解決方案變得越來越先進且成本效益更高，FOC有望成為各種應用中BLDC電機控制的標準。