無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)壽命長(zhǎng)、采用直流電源且相對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此廣泛應(yīng)用于硬盤驅(qū)動(dòng)器、冷卻風(fēng)扇和 DVD 播放機(jī)等電子設(shè)備的設(shè)計(jì)。通常情況下，BLDC 的速度和扭矩由 MCU 使用標(biāo)量技術(shù)控制。

現(xiàn)在一類新型應(yīng)用正悄然興起，其中以四旋翼無(wú)人機(jī)最具代表性，這類應(yīng)用正日益受到業(yè)余愛好者的青睞此外，無(wú)人機(jī)也正被監(jiān)控等眾多商業(yè)應(yīng)用納入考量。對(duì)這些應(yīng)用而言，尤其重要的是控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及控制器在低速和無(wú)傳感器的情況下平穩(wěn)控制 BLDC 的能力。

對(duì)于負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，標(biāo)量技術(shù)不夠精確。而磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 技術(shù)能夠大大提高精度，因而廣泛用于驅(qū)動(dòng)高端工業(yè) AC 設(shè)備。通過(guò)實(shí)施 FOC，BLDC 能夠以合理的成本為無(wú)人機(jī)和其他高性能應(yīng)用（例如醫(yī)療機(jī)器人、萬(wàn)向系統(tǒng)和自主駕駛車輛）提供精確控制。

設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品在過(guò)去并非易事。其中需要精通 FOC 或直接扭矩控制 (DTC) 等某些其他高級(jí)先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)，以及專用軟件開發(fā)系統(tǒng)的操作知識(shí)。如果應(yīng)用對(duì)成本敏感，例如可能在執(zhí)法行動(dòng)中使用的帶監(jiān)控?cái)z像頭的無(wú)人機(jī)，則設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 BLDC 電機(jī)也將面臨挑戰(zhàn)。

磁場(chǎng)定向控制 (FOC)

用于控制 BLDC 電機(jī)的傳統(tǒng)標(biāo)量技術(shù)被稱為六步（梯形）控制。定子以六步過(guò)程驅(qū)動(dòng)，會(huì)在產(chǎn)生的扭矩上振蕩。每一對(duì)繞組會(huì)通電，直到轉(zhuǎn)子到達(dá)下一位置，而此時(shí)電機(jī)將轉(zhuǎn)換到下一步。對(duì)于無(wú)傳感器的應(yīng)用，在定子繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)通常用于確定轉(zhuǎn)子的位置。

標(biāo)量控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)無(wú)法處理動(dòng)態(tài)負(fù)載快速變化的應(yīng)用。因此，矢量控制正日益得到廣泛應(yīng)用，從交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的白色家電（如洗衣機(jī)）到以電池供電的產(chǎn)品。

FOC 是矢量控制最常用的方法之一。其工作原理為：管理定子繞組以確保轉(zhuǎn)子的永磁體所產(chǎn)生的磁通正交于定子的磁場(chǎng)。

FOC 最初是為控制三相交流電機(jī)而開發(fā)。考慮到用于小型無(wú)人機(jī)的 BLDC 電源是電壓為 21 V （五節(jié)鋰聚合物電池）的電池，電子元器件必須包含低壓三相逆變器系統(tǒng)。其他主要的元器件還有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、MCU 以及執(zhí)行 FOC 算法的軟件，其中軟件可能是最重要的。

FOC 處理在直軸 - 交軸 (d-q) 域中完成，該域是一個(gè)旋轉(zhuǎn)參照系。直軸和交軸分量是磁鏈狀態(tài)矢量分解的兩個(gè)分量，即產(chǎn)生磁通 (d) 和扭矩 (q) 的分量。此關(guān)系如圖 1 所示。電機(jī)定子繞組內(nèi)的電流處于受控狀態(tài)，以確保轉(zhuǎn)子的永磁體所產(chǎn)生的磁通正交（成 90°）于定子的磁場(chǎng)。除產(chǎn)生精確的電機(jī)控制之外，這種方式還能夠提供極其精確的扭矩控制，這才是在 d-q 坐標(biāo)系中操作的真正優(yōu)勢(shì)。

FOC 包含三個(gè)域變換：(1) 定子中的測(cè)量相電流從 3 相靜止坐標(biāo)系變換到 2 相靜止坐標(biāo)系 (α, β)；(2) 該 2 相靜止坐標(biāo)系變換為與轉(zhuǎn)子磁通對(duì)齊的旋轉(zhuǎn)二項(xiàng)坐標(biāo)系 (d-q)；(3) 為了實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)，d-q 分量又變回到定子坐標(biāo)系，用于空間矢量脈沖寬度調(diào)制 (SVPWM)。此過(guò)程如圖 2 所示。

為了將 d-q 坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子對(duì)齊，轉(zhuǎn)子位置的詳細(xì)信息是必不可少的。從相對(duì)簡(jiǎn)單的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)，到復(fù)雜的滑模觀察器和擴(kuò)展 Kalman 濾波器，轉(zhuǎn)子位置的估算技術(shù)各種各樣。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)

從靜止 3 相坐標(biāo)系變換到 2 相 d-q 坐標(biāo)系將產(chǎn)生之前所說(shuō)的直軸和交軸分量。直軸 (d) 分量無(wú)有效扭矩，而事實(shí)上，它往往會(huì)增加電機(jī)的軸承磨損。因此，目標(biāo)之一就是最大限度地減少此分量。交軸 (q) 分量可產(chǎn)生實(shí)際的電機(jī)扭矩，這由應(yīng)用來(lái)決定。

d-q 分量應(yīng)用于兩個(gè) PI （比例-積分）控制器，分別對(duì)應(yīng)零和應(yīng)用扭矩設(shè)置，以產(chǎn)生矢量輸出。兩個(gè) PI 控制器的輸出是是所需定子電壓空間矢量的（新）直軸和交軸電壓分量。如之前所述，最后一步是將 d-q 分量轉(zhuǎn)換回到定子坐標(biāo)系中，以實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

上述過(guò)程只是 FOC 工作方式的總結(jié)，而其實(shí)施所需的許多相當(dāng)復(fù)雜的中間步驟，不在本文的范圍內(nèi)。有關(guān)與小型無(wú)人機(jī)直接相關(guān)的更詳細(xì)的 FOC 討論，您可參閱澳大利亞中央昆士蘭大學(xué)的帕特里克·費(fèi)雪所寫的論文“High PerformanceMotor Control”（高性能電機(jī)控制）。1

所需的中間步驟包括：

* 確定電機(jī)的特性（除極數(shù)以及電壓與電流的額定值，BLDC 電機(jī)很少會(huì)提供更多的銘牌信息）
* 轉(zhuǎn)子位置的估算（實(shí)施 FOC 控制的關(guān)鍵信息）
* 設(shè)計(jì)合適的電源控制方案
* 設(shè)計(jì)扭矩和速度控制器

通常情況下，IC 供應(yīng)商也會(huì)選擇將開發(fā)工具使用的軟件庫(kù)存儲(chǔ)在 ROM 中，并使其僅可在選定的 MCU 上使用，以此來(lái)保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

如之前所述，精確的電機(jī)控制依賴于精確電機(jī)模型的建立InstaSPIN-FOC 包括一個(gè)名為“觀察器”的專有軟件算法，可估算轉(zhuǎn)子磁通量、角度、速度和扭矩 (FAST)。InstaSPIN-FOC 還具有電機(jī)參數(shù)識(shí)別能力，可在開發(fā)過(guò)程中離線提取必要的性能參數(shù)以及在工作過(guò)程中在線追蹤參數(shù)。

電機(jī)參數(shù)信息用于調(diào)整電流控制帶寬。

因此，設(shè)計(jì)人員在啟動(dòng)開發(fā)之后，在短短幾分鐘之內(nèi)便可擁有已完全微調(diào)的無(wú)傳感器觀察算法，以及完全微調(diào)的穩(wěn)定 FOC 扭矩控制系統(tǒng)。 在螺旋槳控制等應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員還需要做的唯一任務(wù)就是測(cè)試與微調(diào) PI 速度控制單回路，以實(shí)現(xiàn)所需的性能和操作。

基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化版本如圖 3 所示。轉(zhuǎn)速 PI 控制器的輸出將作為 PI 電流控制器的輸入基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行連接。如果轉(zhuǎn)速太低，電機(jī)將增大電流以產(chǎn)生更大的扭矩，從而加快轉(zhuǎn)速。反過(guò)來(lái)，如果電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)快，電機(jī)將減少扭矩以減慢轉(zhuǎn)速。這兩個(gè) PI 控制器共同形成了級(jí)聯(lián)式控制回路，這就表示控制系統(tǒng)是由具有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部回路的外部回路所組成。

結(jié)論

一類新型的電機(jī)控制應(yīng)用正在興起，此應(yīng)用需要對(duì)小型 BLDC 電機(jī)具備出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這些應(yīng)用包括醫(yī)療機(jī)器人、萬(wàn)向系統(tǒng)、自主駕駛車輛和小型無(wú)人機(jī)。雖然 FOC 電機(jī)控制技術(shù)在過(guò)去幾十年中廣泛用于 AC 工業(yè)電機(jī)和白色家電電機(jī)，但由于此技術(shù)非常復(fù)雜，且需要高性能的 MCU，因此迄今為止尚未應(yīng)用于由電池組供電的小型電機(jī)。然而過(guò)去幾年出現(xiàn)了讓這種可能成為現(xiàn)實(shí)的新產(chǎn)品。

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