無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)因其高效、可靠和低維護(hù)需求而得到廣泛應(yīng)用。然而，控制這類電機(jī)面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是在實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、高效運(yùn)行方面。本文將探討磁場(chǎng)定向控制（FOC）作為一種先進(jìn)的方法如何優(yōu)化BLDC電機(jī)性能、減少轉(zhuǎn)矩紋波并提升整體效率。
盡管BLDC電機(jī)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但其控制的復(fù)雜性——涉及精確的電子換向和反饋機(jī)制——給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。
BLDC電機(jī)通過(guò)在定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并與轉(zhuǎn)子中的永磁體相互作用而工作。不同于傳統(tǒng)電機(jī)使用機(jī)械電刷進(jìn)行換向，BLDC電機(jī)依賴電子控制器來(lái)切換定子繞組中的電流。這種電子換相對(duì)于精確控制至關(guān)重要，但也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
電氣驅(qū)動(dòng)相對(duì)復(fù)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(diào)制（PWM）來(lái)產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。
BLDC電機(jī)在可控性、效率及重量方面的潛力，推動(dòng)了新型集成驅(qū)動(dòng)解決方案的開(kāi)發(fā)；這些解決方案已應(yīng)用于從工業(yè)到家用電器等多個(gè)市場(chǎng)，以及無(wú)人機(jī)和電動(dòng)自行車等新興領(lǐng)域。
最簡(jiǎn)單的BLDC電機(jī)控制方式是六步或梯形波驅(qū)動(dòng)；其中三個(gè)定子繞組按固定順序依次通電。盡管這種方法易于實(shí)現(xiàn)，但由于轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)的非理想對(duì)齊，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩紋波的產(chǎn)生。理想的解決方案是使用正弦波驅(qū)動(dòng)方式以產(chǎn)生平滑的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使其始終與轉(zhuǎn)子完美對(duì)齊。然而，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要復(fù)雜的控制算法和準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置反饋。
轉(zhuǎn)子所受的力并非始終處于期望的切線方向——隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)，會(huì)存在周期性的徑向分量。這不僅不會(huì)產(chǎn)生軸轉(zhuǎn)矩，反而只會(huì)降低效率、造成發(fā)熱，并導(dǎo)致所謂的“轉(zhuǎn)矩紋波”（圖1，左）。這種簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)被稱為六步或“梯形波”。理想情況下，應(yīng)使用正弦波而非通過(guò)通斷驅(qū)動(dòng)來(lái)激勵(lì)繞組（圖1，右），以使定子線圈產(chǎn)生平滑旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，然后控制交流勵(lì)磁電流，使得由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)角度始終垂直于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁場(chǎng)。
圖1，BLDC電機(jī)的六步梯形波驅(qū)動(dòng)與正弦波驅(qū)動(dòng)波形對(duì)比
這樣可以通過(guò)360度旋轉(zhuǎn)獲得最大切向力和轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)最小的轉(zhuǎn)矩紋波和最高的效率。為達(dá)成這一目標(biāo)，不僅須精確確定轉(zhuǎn)子的角位置，同時(shí)還必須控制定子電流，因?yàn)檫@決定了在任意時(shí)刻，由三個(gè)繞組共同作用所產(chǎn)生磁場(chǎng)的強(qiáng)度與方向。圖2給出了一個(gè)示例——當(dāng)轉(zhuǎn)子處于該位置，且磁場(chǎng)方向?yàn)镹-S時(shí)，如果定子磁場(chǎng)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(zhuǎn)矩。這種情況發(fā)生在W和V繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)在某一極性下相等，而U繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)在相反極性下達(dá)到最大值之時(shí)；對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)電流波形中的 A-B位置。
圖2，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩應(yīng)為切向，以發(fā)揮最大效果
僅僅在正確的相位上對(duì)三個(gè)繞組施加和控制正弦電壓并不能實(shí)現(xiàn)精確控制，因?yàn)?/span>繞組電感、反電動(dòng)勢(shì)和其它效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電流及磁場(chǎng)發(fā)生相移。這正是磁場(chǎng)定向控制（FOC）的作用所在；它通過(guò)優(yōu)化繞組電流來(lái)動(dòng)態(tài)校正定子磁場(chǎng)的幅度與方向，以匹配實(shí)時(shí)測(cè)量的轉(zhuǎn)子位置。
FOC通過(guò)將三相定子電流轉(zhuǎn)換為兩個(gè)正交分量來(lái)工作：一個(gè)代表產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量（IQ），另一個(gè)代表磁化分量（ID）。這兩個(gè)分量可以獨(dú)立控制，以實(shí)現(xiàn)所需的電機(jī)性能。
FOC涉及多個(gè)數(shù)學(xué)變換。首先，“克拉克（Clarke）”變換將三相電流轉(zhuǎn)換為兩軸系統(tǒng)（Iα和Iβ）。然后， “帕克（Park）”變換將這些軸旋轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)子位置對(duì)齊，得到直軸分量（ID）和正交分量（IQ）電流。通過(guò)控制這些電流，F(xiàn)OC在整個(gè)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中保持最佳轉(zhuǎn)矩輸出。
定子繞組電流以及由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向可以在一個(gè)共同的靜態(tài)坐標(biāo)系中表示為三個(gè)相隔120度的旋轉(zhuǎn)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(guò)“克拉克”變換將其簡(jiǎn)化為兩個(gè)在靜態(tài)框架中相隔90度的旋轉(zhuǎn)矢量，即幅度為Iα和Iβ的矢量：
接下來(lái)，需要將這些轉(zhuǎn)換為在旋轉(zhuǎn)參考平面上的靜態(tài)矢量ID（直軸分量）和IQ（正交分量），以便將其與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的位置相關(guān)聯(lián)。我們通過(guò)“帕克”變換實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其中θ為轉(zhuǎn)子相對(duì)于靜態(tài)Iα和Iβ框架的角度：
在穩(wěn)態(tài)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(zhuǎn)矩和不需要的徑向轉(zhuǎn)矩分量。這些值現(xiàn)在可以作為反饋環(huán)的輸入，通常使用比例積分（PI）控制器來(lái)工作，以最大化IQ并最小化ID至零。由此產(chǎn)生的誤差放大器輸出VD和VQ經(jīng)過(guò)反向帕克變換及反向克拉克變換，隨后進(jìn)行脈寬調(diào)制，以驅(qū)動(dòng)功率級(jí)，生成三個(gè)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(duì)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行優(yōu)化，并且很大程度上取決于實(shí)際的電機(jī)參數(shù)，特別是繞組電阻和電感。然而，Qorvo等公司提供的高級(jí)FOC控制器具有自動(dòng)調(diào)諧功能，能夠“學(xué)習(xí)”所連接電機(jī)的特性。使用FOC的BLDC電機(jī)控制器的框圖如圖3所示。
圖3，使用磁場(chǎng)定向控制（FOC）的典型BLDC電機(jī)控制器
從FOC中獲益最多的應(yīng)用包括那些要求噪音和振動(dòng)最小、諧波含量最低以及能夠以高于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的應(yīng)用。在FOC中，這通過(guò)一種稱為“磁場(chǎng)削弱”的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即減小ID電流至負(fù)值來(lái)有意降低反電動(dòng)勢(shì)。這就削減了轉(zhuǎn)子有效磁場(chǎng)，從而允許更高的速度，但以犧牲轉(zhuǎn)矩為代價(jià)。
FOC的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)子的位置，可以通過(guò)使用霍爾效應(yīng)傳感器或旋轉(zhuǎn)編碼器等傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在無(wú)傳感器設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子位置是基于反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)行估算的，但這種方法精度較低，需要復(fù)雜的算法。
高性能FOC依賴于對(duì)轉(zhuǎn)子角位置和定子繞組電流的精確測(cè)量。轉(zhuǎn)子角位置可以通過(guò)多種方式來(lái)確定。在使用梯形波驅(qū)動(dòng)時(shí)，當(dāng)一個(gè)繞組斷電時(shí)，可以利用反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)來(lái)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(xù)通電驅(qū)動(dòng)，因此需要采用其它方法。一種“無(wú)傳感器”技術(shù)通過(guò)繞組電流、電壓和電機(jī)特性模型來(lái)推斷位置，但這種方法在高負(fù)載下不易啟動(dòng)，并且需要控制器提供強(qiáng)大的處理能力。另一種途徑是先從梯形波驅(qū)動(dòng)開(kāi)始，感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)，然后在電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)后切換到正弦FOC。對(duì)于基于傳感器的解決方案，霍爾傳感器通過(guò)簡(jiǎn)單的接口解決了這個(gè)問(wèn)題，允許在高負(fù)載條件下啟動(dòng)并實(shí)現(xiàn)更精確的轉(zhuǎn)矩控制。另一種確定位置測(cè)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(shí)還能感應(yīng)旋轉(zhuǎn)方向。
繞組電流的測(cè)量也可以通過(guò)不同的方式進(jìn)行。最準(zhǔn)確的方法是利用電阻感測(cè)和三個(gè)ADC同時(shí)采樣三個(gè)繞組電流。
然而，采樣的時(shí)點(diǎn)至關(guān)重要，以避免受到嘈雜的PWM開(kāi)關(guān)邊沿的影響。為獲得最佳精度，可將電阻直接串聯(lián)在繞組上；但由于測(cè)得的電壓沒(méi)有接地參考，且存在高共模波形電平，處理起來(lái)較為困難，因此更好的解決方案是測(cè)量逆變器支路電流（圖4左側(cè)）。對(duì)于成本敏感型應(yīng)用，可以使用單個(gè)分流電阻，因?yàn)樗梢杂行У販y(cè)量直流鏈路電流（圖4右側(cè)）。單分流方法僅需要一個(gè)ADC，但該技術(shù)存在局限性――如果活動(dòng)矢量持續(xù)時(shí)間小于最小測(cè)量時(shí)間，則電流測(cè)量將不準(zhǔn)確。為了糾正這一點(diǎn)，可能需要采用“非對(duì)稱”電流采樣來(lái)提供更好的信號(hào)質(zhì)量。
圖4，BLDC 電機(jī)電流監(jiān)測(cè)方法；
左側(cè)為三分流法，右側(cè)為單分流法
實(shí)施FOC的關(guān)鍵在于精準(zhǔn)調(diào)控電機(jī)定子電流，而繞組的電感特性與反電動(dòng)勢(shì)等因素則增加了這一過(guò)程的挑戰(zhàn)性。Qorvo推出的PAC5xxx系列等現(xiàn)代集成電路將所有必要功能集成到單一芯片中，以簡(jiǎn)化這一過(guò)程。該系列IC不僅提供自動(dòng)調(diào)諧、無(wú)傳感器操作，還擁有全面的診斷功能，從而使FOC技術(shù)變得更加易于應(yīng)用，并適用于更廣泛的領(lǐng)域。
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除了基本的電機(jī)控制功能外，這些先進(jìn)的控制器還支持如磁場(chǎng)削弱等高級(jí)功能；該功能允許電機(jī)通過(guò)降低轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度而超越其基礎(chǔ)速度運(yùn)行。這在電動(dòng)汽車或工業(yè)機(jī)械等需要較寬轉(zhuǎn)速范圍的應(yīng)用中尤為有用。
所有用于BLDC電機(jī)的梯形波控制或磁場(chǎng)定向控制功能均可集成至單芯片控制器中；典型產(chǎn)品如Qorvo基于ARM@ Cortex處理器架構(gòu)的PAC5xxx系列控制器。這些器件高度可配置，適用于最高達(dá)3kHz的電氣轉(zhuǎn)速。
控制模式包括轉(zhuǎn)矩、速度和功率，同時(shí)擁有無(wú)傳感器、霍爾傳感器或正交編碼器位置感測(cè)選項(xiàng)，并可使用單分流或三分流電流感測(cè)。為確保順利啟動(dòng)，控制器還包含梯形波/FOC混合模式，并具有自動(dòng)調(diào)諧功能，可識(shí)別電機(jī)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最佳性能。控制器支持磁場(chǎng)削弱，并提供如欠壓、過(guò)溫、堵轉(zhuǎn)和開(kāi)相檢測(cè)等多種保護(hù)特性；所有問(wèn)題均由板載診斷功能報(bào)告。其中一個(gè)版本甚至包括適用于低功耗應(yīng)用（如手持設(shè)備和工具）的電機(jī)驅(qū)動(dòng)MOSFET。各項(xiàng)功能均可借助圖形用戶界面（GUI）進(jìn)行配置，并通過(guò)參考固件、應(yīng)用筆記、編程指南、軟件開(kāi)發(fā)套件和硬件評(píng)估套件帶來(lái)全面支持。
FOC特別適用于對(duì)精度、效率和平穩(wěn)運(yùn)行要求極高的應(yīng)用；包括電動(dòng)汽車以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域――對(duì)于前者，平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩傳遞對(duì)于舒適性和性能至關(guān)重要；對(duì)于后者，能源效率和可靠性則是關(guān)鍵考量。此外，在家用電器中使用FOC也有助于滿足嚴(yán)格的能效標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)保持性能水平。
磁場(chǎng)定向控制（FOC）為優(yōu)化BLDC電機(jī)性能提供了一種先進(jìn)的解決方案，可實(shí)現(xiàn)更高的效率、更小的轉(zhuǎn)矩紋波，和更高的控制精度。隨著集成解決方案變得越來(lái)越先進(jìn)且成本效益更高，F(xiàn)OC有望成為各種應(yīng)用中BLDC電機(jī)控制的標(biāo)準(zhǔn)。
