張智勇

隨著高性能微處理器的尺寸越來越小、價格越來越低，電流、頻率、相位均可調的正弦波控制逐漸替代簡單的PWM方波驅動電機，實現(xiàn)了更可靠的啟動、更順暢的加減速和更平穩(wěn)安靜的運行。這使得無人機不僅能可靠、精確地控制自身飛行姿態(tài)和軌跡，其上搭載的精密設備也能在震動更小的平臺上執(zhí)行更多樣化的任務。

FOC控制在無人機/航模領域的興起

上述控制方式被引入到無人機/航模無刷電調的設計后，發(fā)展出無感FOC電調（圖1）。近兩年來，越來越多的無人機/航模廠商開始研發(fā)生產采用FOC矢量控制方案的電調（圖2）。

無感FOC電調和普通方波控制電調在硬件構架上差別不大，最大的區(qū)別是前者采用了正弦波驅動電機（圖3）。因為方波控制只能調節(jié)占空比，而正弦波能同時調節(jié)輸出電壓、正弦波頻率和相位，所以在無感FOC電調控制下的磁場是旋轉的、而非跳躍切換，不僅減小了電機的脈動轉矩，運行更平穩(wěn)、更安靜，而且峰值電流的脈動也大大減小。此外，無感FOC電調可通過計算向量關系，實時調整3組正弦波的相位，進行精確的扭矩控制，而方波電調卻只能設置一種或者“高-中-低”少數(shù)幾種簡單的進角。因此，受無感FOC電調控制的電機擁有更好的啟動和加減速性能。

之前，筆者曾總結過FOC控制方案的優(yōu)點，這些也體現(xiàn)在采用了FOC控制方案的電調里。

1.轉矩脈動小，更靜音。

使用FOC控制方案的電調，其所在電動動力系統(tǒng)的最大特點是安靜（圖4）。由于采用了矢量控制、正弦驅動，電機的轉矩脈動非常小、噪聲更小。舉例來說，某些使用方波控制的傳統(tǒng)電調，與之相連的電機在啟動時會發(fā)生抖動，并發(fā)出“咔咔咔”的聲音；在急加油門時，會發(fā)出刮擦聲。而使用FOC控制方案的電調，電機就不再發(fā)出這些聲音。

2.峰值電流更小

使用方波控制的電調，在急加油門時可能因續(xù)流時間過長導致電機堵轉。而使用FOC控制方案的電調，從原理上杜絕了這種現(xiàn)象。因為采用這種控制，電調不會一直在電機繞組上加載全電壓，所以繞組線圈中的峰值電流更小。這不僅減小了繞組線圈發(fā)熱帶來的能量損失，也降低了大峰值脈沖電流可能給電機元器件造成的損傷。

3.加減速性能更好

因為無感FOC電調的相電流采用了矢量解算、正弦波控制，所以在電機加減速時能更好地調整相位、控制轉矩，獲得更快的響應速度。

傳統(tǒng)方波控制的電調，一般不支持電壓相位超前，控制電機力矩（電流）時，電流相位會出現(xiàn)延后的現(xiàn)象。而FOC控制的電調能做到電壓相位超前，改變電機力矩的響應速度更快。另無感FOC電調可做能量回饋制動，相比傳統(tǒng)方波電調利用電機本身的感應電流剎車，減速制動的響應速度更快。

FOC電調的技術方案特點

采用FOC控制的電調與方波控制相比，雖然主要電路結構近似，但因控制方式有很大改變，故前者不僅在控制軟件算法方面比后者更復雜，而且對主控芯片的計算能力、MOS管的響應速度、感應電動勢的采集電路都有更高的要求。

FOC控制算法的理論是公開的，有興趣的讀者可以通過查閱書籍文獻，或者各大芯片廠商的官網獲得FOC控制方案的軟件算法，如應用筆記、參考源代碼等。在某些方案中，只要稍微調整一下代碼中的參數(shù)，就可以上機運行。

除了算法問題，設計無感FOC電調時，還應選擇合適的主控芯片。采用方波控制的電調，算法相對簡單，較低端的單片機（如C8051F390，主頻50MHz）即可滿足需求（圖5）。而無感FOC電調，則需要運行速度更高的主控芯片，才能滿足算法要求（圖6）。

以熱銷的大疆“精靈”消費級四旋翼無人機系列為例，其第二代產品使用的是方波控制電調，第三代產品則采用了基于TI INSTA-FOC方案的無感FOC電調。其主控芯片為DRV8301和F28027F組合，主頻90MHz，可對48KHz范圍內的頻率進行調整（圖7）。相比采用方波控制電調的第二代產品，新一代產品的工作噪聲明顯下降，啟動、加速也更順暢，用戶使用后普遍反映較好。

有的業(yè)余愛好者用開源單片機，成功做出了FOC矢量控制電調。筆者曾看過有模友用英飛凌（Infineon）ARM M0處理器（XMC1300/XMC1301/XMC1302單片機，主頻32MHz）自制的無感FOC電調，相比前文提到的TI INSTA-FOC方案的90MHz單片機，運行速度明顯慢一些。具體表現(xiàn)是這款自制的無感FOC電調，其單片機執(zhí)行無感FOC算法的時間更長，只能做到24KHz范圍內的頻率調整。也有模友曾用Microchip AN1078處理器自制電調，效果還不錯。

因為軟件算法的通用性，所以更高端的DSP芯片也可用于自制無感FOC電調（圖8），如DSPIC 33FJ12MC202、DSPIC 33EP32MC202等。常見的是SSOP28封裝，體積更小的QFN28封裝會貴一些?？偟膩碚f，自制無感FOC電調的運行速度主要取決于主控芯片的主頻，大家可在芯片價格與電調運行速度之間尋求最優(yōu)解決方案。

除此之外，Microchip、NXP、FreeScale等知名芯片廠商都有自己的FOC控制方案，配有詳細的芯片資料和開源代碼開發(fā)文檔。

FOC電調的位置檢測

從控制理論上說，無感FOC電調需要對相位進行調節(jié)，即準確知道電機轉子的位置，也就是電相位角度。對于裝有位置傳感器的無刷電機，這點容易實現(xiàn)，通過霍爾元件或變壓器式角度傳感器即可獲知角度信息。消費級航拍無人機的相機云臺，其中的兩自由度云臺控制電機，就是帶有位置傳感器的無刷電機。與之類似的手持云臺，其電機采用的也是FOC矢量控制方案，能精確靈敏地讓鏡頭取景（圖9）。

動力電機多為無位置傳感器的無刷電機。如前文所述，采用方波控制的電調，與之相連的電機的反電動勢也為方波，電調的感應電路通過檢測過零點進行換相。換成FOC控制方案后，電機的反電動勢為正弦波（圖10），但電調的感應電路通過反電動勢只能檢測過零點，無法準確反映當前電機轉子的角度位置。而無感FOC電調的反電動勢檢測電路，通常只會添加兩個采樣電阻和1個雙運放，并不會大幅修改電路架構。

現(xiàn)有的解決方法是，通過檢測到的過零點，來推測當前電機轉子的角度位置。以前面提到的TI INSTA方案為例，該芯片程序有個叫FAST觀測器的模塊。這個模塊可基于相電壓和相電流的變化估算電機轉子的位置，且估算的電相位角度非常準確。在FAST模塊的幫助下，實際測試中采用FOC控制方案的電動動力系統(tǒng)在轉速低至30 - 50轉/分的情況下，速度閉環(huán)依然很平順，而傳統(tǒng)的方波電調則很難在這么低的轉速下穩(wěn)定運行。遺憾的是，TI INSTA方案把FAST的代碼以庫的形式固化在ROM里，這部分并不開源。相比之下，Microchip就公開了所有源代碼，方便了懂得編制算法的資深玩家。

FOC電調的啟動控制

電調能否可靠地啟動電機并迅速、平穩(wěn)地加速到工作轉速，對使用效果有很大影響。因此與方波控制電調一樣，無感FOC電調的啟動算法也十分關鍵。

在無法很好解決電機轉子位置估算問題時，有些方案選擇避開這個難題：先采取方波啟動，待電機轉速穩(wěn)定后再切換成FOC控制運行的方式。這個方法還是不錯的。

而在有類似TI INSTA方案的FAST觀測器模塊的情況下，則可全程使用全正弦驅動，同樣能獲得平滑穩(wěn)定的正弦波啟動效果。

FOC技術的局限性

雖然采用FOC矢量控制技術的電調有諸多優(yōu)點，但并非毫無缺點。方波控制的電調，適用于多種電機；而無感FOC電調，則無法達到前者那么高的電機兼容性。

原因是FOC控制方案需要判斷電機轉子的實時位置，而觀測器模塊其實是通過建立電機的數(shù)學模型，用檢測反向電動勢估算得到的，不像方波控制那樣只要知道過零點就可以了。而要建立電機的數(shù)學模型，就得用專業(yè)的LCR測試儀器測量電機參數(shù)，并將這些參數(shù)輸入算法的頭文件里。也就是說，受制于算法本身，F(xiàn)OC矢量控制高度依賴電機的數(shù)字模型，不僅需要針對電機的參數(shù)做匹配，而且匹配之后不能隨意更換其他參數(shù)的電機。

盡管無感FOC電調在不同電機的兼容性方面還有待改善，但在固定參數(shù)的成套設備上已經顯現(xiàn)出優(yōu)勢，贏得了用戶的廣泛好評。