老算法的新應(yīng)用無(wú)感FOC電調(diào)在無(wú)人機(jī)航模無(wú)刷電機(jī)上的運(yùn)用

1、老算法的新應(yīng)用（中）無(wú)感FOC電調(diào)在無(wú)人機(jī)航模無(wú)刷電機(jī)上的運(yùn)用打開文本圖片集采用方波控制算法的電調(diào)，讓無(wú)刷電機(jī)真正被引入航模及無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。 不過(guò)在使用過(guò)程中，這種控制算法的劣勢(shì)也越來(lái)越明顯。這也讓一種早已 有之的算法一一FOC被引入無(wú)刷電調(diào)的設(shè)計(jì)中。傳統(tǒng)電調(diào)的控制方式傳統(tǒng)電調(diào)控制無(wú)刷電機(jī)內(nèi)線圈繞組換向，多用六步換向法，控制方式 則是方波控制（圖1）。所謂方波控制，就是上述切換只負(fù)責(zé)開關(guān)電路， 繞組的電流只有“通”和“斷”兩種狀態(tài)；電調(diào)通過(guò)控制接通的頻率來(lái)調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)速，通過(guò)控制“通”和“斷”的比例來(lái)控制平均電流大小。在一個(gè)控 制周期內(nèi)，繞組線圈的“通”、“斷”比例被稱為“占空比”，這種控制 稱為占

2、空比控制（PWM，圖2）。在方波控制方式下，電調(diào)只需控制電路的“通”、“斷”。這種方法 的控制率算法較為簡(jiǎn)單：電調(diào)無(wú)需獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的具體角度值，只需判斷 感應(yīng)到的反向電動(dòng)勢(shì)是否過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零點(diǎn)后即可執(zhí)行換向操作。圖3所示 的是方波控制模式下無(wú)刷電機(jī)線圈繞組的感應(yīng)反向電動(dòng)勢(shì)波形。由于存在 繞組感抗，因此理想狀態(tài)下的矩形方波，變成了實(shí)際反饋感應(yīng)到的類似于 梯形的波形。方波控制的缺陷基于前文所述六步換向法、采用方波控制算法的電調(diào)，在使用過(guò)程中 暴露了其固有缺陷，具體表現(xiàn)為以下4點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)電流的峰值較高方波控制模式下的電機(jī)，電機(jī)繞組線圈內(nèi)的電流只有“通”和“斷” 兩種狀態(tài)。即使在占空比很小的低功率狀態(tài)下，

3、電機(jī)電流平均值較小，繞 組線圈的脈動(dòng)電流峰值也會(huì)很大。由于繞組線圈的電阻發(fā)熱量與其電流值 的平方成正比，因此電機(jī)的發(fā)熱損耗較大（圖4）。存在脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩如果電調(diào)采用方波控制，那么與之相連的電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向?qū)?際是跳躍的，由此產(chǎn)生的扭矩自然也是脈動(dòng)的。在對(duì)控制精度要求很高的 動(dòng)力系統(tǒng)中，這種脈動(dòng)會(huì)降低飛行器的穩(wěn)定性，尤其是依賴扭矩控制航向 的多旋翼無(wú)人機(jī)，會(huì)給自動(dòng)控制帶來(lái)更多的干擾因素。震動(dòng)和噪聲較大電機(jī)內(nèi)存在脈動(dòng)扭矩，帶來(lái)的直觀感受是飛行器的震動(dòng)和噪聲較大。 這種震動(dòng)通過(guò)電機(jī)傳遞給機(jī)身，在影響機(jī)身結(jié)構(gòu)疲勞壽命的同時(shí)，還會(huì)干 擾自駕系統(tǒng)的傳感器以及任務(wù)載荷（圖5）。更有甚者，若是振動(dòng)頻率與 機(jī)

4、身結(jié)構(gòu)的共振頻率相近，發(fā)生耦合現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重影響整機(jī)性能和安全性。對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)而言，脈動(dòng)扭矩帶來(lái)的噪聲會(huì)影響用戶的使用體驗(yàn)， 干擾航拍效果。而某些專門領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)，對(duì)低可探測(cè)性有要求，較大的 噪聲會(huì)令其更易被發(fā)現(xiàn)（圖6）。低速和啟動(dòng)性能較差在方波控制下，電機(jī)依賴感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)來(lái)完成過(guò)零檢測(cè)。啟動(dòng)初期， 由于沒(méi)有初始位置參考，因此電調(diào)判斷零點(diǎn)位置存在困難。直觀感受是往 往需要抖動(dòng)幾下，電機(jī)才開始運(yùn)轉(zhuǎn)。如果電機(jī)和電調(diào)匹配不好，或者電調(diào)的設(shè)置不正確，還可能出現(xiàn)電機(jī)原地抖動(dòng)、發(fā)熱、無(wú)法啟動(dòng)，或急加速時(shí) “丟步”、“掉速”等不正?，F(xiàn)象。磁場(chǎng)導(dǎo)向控制FOC隨著電調(diào)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，一種優(yōu)于方波控制的理論算法被

5、引入電調(diào) 控制程序中，那就是 FOC（Field-OrientedControl，圖 7）。FOC被稱為磁場(chǎng)導(dǎo)向控制，是一種利用變頻器（VFD）控制三相交流 電機(jī)的技術(shù)。這種技術(shù)通過(guò)調(diào)整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及相 位，來(lái)控制電機(jī)的輸出（圖8）。其特性是可以單獨(dú)控制電機(jī)中每個(gè)繞組 線圈的磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度，類似他勵(lì)式直流電機(jī)。由于在FOC算法的方程式 中，三相交流電機(jī)的定子電流通過(guò)兩個(gè)可視化的正交矢量分量來(lái)描述，因 此這種控制方法又被稱為矢量控制（VectorControl）。FOC方法可用于控制交流感應(yīng)電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)。最開始出現(xiàn)這種 控制方法，就是為了提高電機(jī)的性能。在FOC控制下，

6、電機(jī)不僅能在全速 范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行，以零速度產(chǎn)生額定扭矩，還具備良好的高速動(dòng)態(tài)性能， 如能夠做到快速地加速或減速。它并不是什么新近發(fā)明的“黑科技”，相 關(guān)理論在幾十年前就已經(jīng)提出。派克變換被譽(yù)為20世紀(jì)發(fā)表的第二重要的電工電子論文，一直被用 在同步電機(jī)及感應(yīng)電機(jī)的分析及研究中，是了解磁場(chǎng)導(dǎo)向控制最需要知道 的概念。這個(gè)概念由羅伯特派克（RobertPark）在1929年提出，可將 與電機(jī)相關(guān)的變系數(shù)的微分方程變換為“時(shí)不變”系數(shù)的微分方程。達(dá)姆 施塔特工業(yè)大學(xué)的K.Hae，以及西門子公司的F.Blachke分別在1968年 和20世紀(jì)70年代提出了矢量控制的概念。其中Hae提的是間接矢量控制，

7、Blachke提的是直接矢量控制。隨后布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的維爾納萊昂哈德（WernerLeonhard）逵一 步發(fā)展了磁場(chǎng)導(dǎo)向控制技術(shù)，使得交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器開始有機(jī)會(huì)取代直流電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器。但是當(dāng)時(shí)微處理器尚未商品化，相較于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，交流 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的成本高、架構(gòu)復(fù)雜，且不易維護(hù)。加之那時(shí)的矢量控制技術(shù) 需要用到大量傳感器、放大器等元件，成本較高，所以無(wú)法將其大規(guī)模地 應(yīng)用在小型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。到了20世紀(jì)80年代早期，微處理器的商業(yè)化開始普及，使用FOC控 制技術(shù)的障礙變?yōu)檩^高的成本、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較低的可維護(hù)性。與直流驅(qū) 動(dòng)器相比，F(xiàn)OC控制交流驅(qū)動(dòng)器需要非常多的電子組件，如傳感器、放大 器等。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，尤其是微處理器（即通常說(shuō)的單片機(jī)， 圖9）和大功率金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET，圖10）的問(wèn) 世和普及，使采用FOC方案控制設(shè)備的尺寸、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電機(jī)上，也逐漸出現(xiàn)在一些 高端家電中，如洗衣機(jī)電機(jī)、空調(diào)冰箱壓縮機(jī)等。FOC技術(shù)用于家電產(chǎn)品， 可有效提高性