老算法的新应用无感FOC电调在无人机航模无刷电机上的运用

1、老算法的新应用（中）无感FOC电调在无人机航模无刷电机上的运用打开文本图片集采用方波控制算法的电调，让无刷电机真正被引入航模及无人机领域。 不过在使用过程中，这种控制算法的劣势也越来越明显。这也让一种早已 有之的算法一一FOC被引入无刷电调的设计中。传统电调的控制方式传统电调控制无刷电机内线圈绕组换向，多用六步换向法，控制方式 则是方波控制（图1）。所谓方波控制，就是上述切换只负责开关电路， 绕组的电流只有“通”和“断”两种状态；电调通过控制接通的频率来调 节转速，通过控制“通”和“断”的比例来控制平均电流大小。在一个控 制周期内，绕组线圈的“通”、“断”比例被称为“占空比”，这种控制 称为占

2、空比控制（PWM，图2）。在方波控制方式下，电调只需控制电路的“通”、“断”。这种方法 的控制率算法较为简单：电调无需获得电机转子的具体角度值，只需判断 感应到的反向电动势是否过零点，过零点后即可执行换向操作。图3所示 的是方波控制模式下无刷电机线圈绕组的感应反向电动势波形。由于存在 绕组感抗，因此理想状态下的矩形方波，变成了实际反馈感应到的类似于 梯形的波形。方波控制的缺陷基于前文所述六步换向法、采用方波控制算法的电调，在使用过程中 暴露了其固有缺陷，具体表现为以下4点。驱动电流的峰值较高方波控制模式下的电机，电机绕组线圈内的电流只有“通”和“断” 两种状态。即使在占空比很小的低功率状态下，

3、电机电流平均值较小，绕 组线圈的脉动电流峰值也会很大。由于绕组线圈的电阻发热量与其电流值 的平方成正比，因此电机的发热损耗较大（图4）。存在脉动转矩如果电调采用方波控制，那么与之相连的电机内部磁场强度和方向实 际是跳跃的，由此产生的扭矩自然也是脉动的。在对控制精度要求很高的 动力系统中，这种脉动会降低飞行器的稳定性，尤其是依赖扭矩控制航向 的多旋翼无人机，会给自动控制带来更多的干扰因素。震动和噪声较大电机内存在脉动扭矩，带来的直观感受是飞行器的震动和噪声较大。 这种震动通过电机传递给机身，在影响机身结构疲劳寿命的同时，还会干 扰自驾系统的传感器以及任务载荷（图5）。更有甚者，若是振动频率与 机

4、身结构的共振频率相近，发生耦合现象，会严重影响整机性能和安全性。对消费级无人机而言，脉动扭矩带来的噪声会影响用户的使用体验， 干扰航拍效果。而某些专门领域的无人机，对低可探测性有要求，较大的 噪声会令其更易被发现（图6）。低速和启动性能较差在方波控制下，电机依赖感应反电动势来完成过零检测。启动初期， 由于没有初始位置参考，因此电调判断零点位置存在困难。直观感受是往 往需要抖动几下，电机才开始运转。如果电机和电调匹配不好，或者电调的设置不正确，还可能出现电机原地抖动、发热、无法启动，或急加速时 “丢步”、“掉速”等不正常现象。磁场导向控制FOC随着电调产品的更新换代，一种优于方波控制的理论算法被

5、引入电调 控制程序中，那就是 FOC（Field-OrientedControl，图 7）。FOC被称为磁场导向控制，是一种利用变频器（VFD）控制三相交流 电机的技术。这种技术通过调整变频器的输出频率、输出电压的大小及相 位，来控制电机的输出（图8）。其特性是可以单独控制电机中每个绕组 线圈的磁场方向和强度，类似他励式直流电机。由于在FOC算法的方程式 中，三相交流电机的定子电流通过两个可视化的正交矢量分量来描述，因 此这种控制方法又被称为矢量控制（VectorControl）。FOC方法可用于控制交流感应电机和直流无刷电机。最开始出现这种 控制方法，就是为了提高电机的性能。在FOC控制下，

6、电机不仅能在全速 范围内平稳运行，以零速度产生额定扭矩，还具备良好的高速动态性能， 如能够做到快速地加速或减速。它并不是什么新近发明的“黑科技”，相 关理论在几十年前就已经提出。派克变换被誉为20世纪发表的第二重要的电工电子论文，一直被用 在同步电机及感应电机的分析及研究中，是了解磁场导向控制最需要知道 的概念。这个概念由罗伯特派克（RobertPark）在1929年提出，可将 与电机相关的变系数的微分方程变换为“时不变”系数的微分方程。达姆 施塔特工业大学的K.Hae，以及西门子公司的F.Blachke分别在1968年 和20世纪70年代提出了矢量控制的概念。其中Hae提的是间接矢量控制，

7、Blachke提的是直接矢量控制。随后布伦瑞克工业大学的维尔纳莱昂哈德（WernerLeonhard）逵一 步发展了磁场导向控制技术，使得交流电机驱动器开始有机会取代直流电 机驱动器。但是当时微处理器尚未商品化，相较于直流电机驱动器，交流 电机驱动器的成本高、架构复杂，且不易维护。加之那时的矢量控制技术 需要用到大量传感器、放大器等元件，成本较高，所以无法将其大规模地 应用在小型交流电机驱动器中。到了20世纪80年代早期，微处理器的商业化开始普及，使用FOC控 制技术的障碍变为较高的成本、复杂的结构和较低的可维护性。与直流驱 动器相比，FOC控制交流驱动器需要非常多的电子组件，如传感器、放大 器等。随着微电子技术的发展和进步，尤其是微处理器（即通常说的单片机， 图9）和大功率金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET，图10）的问 世和普及，使采用FOC方案控制设备的尺寸、重量大幅下降，制造成本和 能耗也逐年降低。矢量控制除了用在高性能的电机上，也逐渐出现在一些 高端家电中，如洗衣机电机、空调冰箱压缩机等。FOC技术用于家电产品， 可有效提高性