老算法的新應用無感FOC電調在無人機航模無刷電機上的運用

1、老算法的新應用（中）無感FOC電調在無人機航模無刷電機上的運用打開文本圖片集采用方波控制算法的電調，讓無刷電機真正被引入航模及無人機領域。 不過在使用過程中，這種控制算法的劣勢也越來越明顯。這也讓一種早已 有之的算法一一FOC被引入無刷電調的設計中。傳統(tǒng)電調的控制方式傳統(tǒng)電調控制無刷電機內線圈繞組換向，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，就是上述切換只負責開關電路， 繞組的電流只有“通”和“斷”兩種狀態(tài)；電調通過控制接通的頻率來調 節(jié)轉速，通過控制“通”和“斷”的比例來控制平均電流大小。在一個控 制周期內，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，電調只需控制電路的“通”、“斷”。這種方法 的控制率算法較為簡單：電調無需獲得電機轉子的具體角度值，只需判斷 感應到的反向電動勢是否過零點，過零點后即可執(zhí)行換向操作。圖3所示 的是方波控制模式下無刷電機線圈繞組的感應反向電動勢波形。由于存在 繞組感抗，因此理想狀態(tài)下的矩形方波，變成了實際反饋感應到的類似于 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，在使用過程中 暴露了其固有缺陷，具體表現(xiàn)為以下4點。驅動電流的峰值較高方波控制模式下的電機，電機繞組線圈內的電流只有“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、電機電流平均值較小，繞 組線圈的脈動電流峰值也會很大。由于繞組線圈的電阻發(fā)熱量與其電流值 的平方成正比，因此電機的發(fā)熱損耗較大（圖4）。存在脈動轉矩如果電調采用方波控制，那么與之相連的電機內部磁場強度和方向實 際是跳躍的，由此產生的扭矩自然也是脈動的。在對控制精度要求很高的 動力系統(tǒng)中，這種脈動會降低飛行器的穩(wěn)定性，尤其是依賴扭矩控制航向 的多旋翼無人機，會給自動控制帶來更多的干擾因素。震動和噪聲較大電機內存在脈動扭矩，帶來的直觀感受是飛行器的震動和噪聲較大。 這種震動通過電機傳遞給機身，在影響機身結構疲勞壽命的同時，還會干 擾自駕系統(tǒng)的傳感器以及任務載荷（圖5）。更有甚者，若是振動頻率與 機

4、身結構的共振頻率相近，發(fā)生耦合現(xiàn)象，會嚴重影響整機性能和安全性。對消費級無人機而言，脈動扭矩帶來的噪聲會影響用戶的使用體驗， 干擾航拍效果。而某些專門領域的無人機，對低可探測性有要求，較大的 噪聲會令其更易被發(fā)現(xiàn)（圖6）。低速和啟動性能較差在方波控制下，電機依賴感應反電動勢來完成過零檢測。啟動初期， 由于沒有初始位置參考，因此電調判斷零點位置存在困難。直觀感受是往 往需要抖動幾下，電機才開始運轉。如果電機和電調匹配不好，或者電調的設置不正確，還可能出現(xiàn)電機原地抖動、發(fā)熱、無法啟動，或急加速時 “丟步”、“掉速”等不正?，F(xiàn)象。磁場導向控制FOC隨著電調產品的更新?lián)Q代，一種優(yōu)于方波控制的理論算法被

5、引入電調 控制程序中，那就是 FOC（Field-OrientedControl，圖 7）。FOC被稱為磁場導向控制，是一種利用變頻器（VFD）控制三相交流 電機的技術。這種技術通過調整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及相 位，來控制電機的輸出（圖8）。其特性是可以單獨控制電機中每個繞組 線圈的磁場方向和強度，類似他勵式直流電機。由于在FOC算法的方程式 中，三相交流電機的定子電流通過兩個可視化的正交矢量分量來描述，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電機和直流無刷電機。最開始出現(xiàn)這種 控制方法，就是為了提高電機的性能。在FOC控制下，

6、電機不僅能在全速 范圍內平穩(wěn)運行，以零速度產生額定扭矩，還具備良好的高速動態(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 關理論在幾十年前就已經提出。派克變換被譽為20世紀發(fā)表的第二重要的電工電子論文，一直被用 在同步電機及感應電機的分析及研究中，是了解磁場導向控制最需要知道 的概念。這個概念由羅伯特派克（RobertPark）在1929年提出，可將 與電機相關的變系數(shù)的微分方程變換為“時不變”系數(shù)的微分方程。達姆 施塔特工業(yè)大學的K.Hae，以及西門子公司的F.Blachke分別在1968年 和20世紀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)大學的維爾納萊昂哈德（WernerLeonhard）逵一 步發(fā)展了磁場導向控制技術，使得交流電機驅動器開始有機會取代直流電 機驅動器。但是當時微處理器尚未商品化，相較于直流電機驅動器，交流 電機驅動器的成本高、架構復雜，且不易維護。加之那時的矢量控制技術 需要用到大量傳感器、放大器等元件，成本較高，所以無法將其大規(guī)模地 應用在小型交流電機驅動器中。到了20世紀80年代早期，微處理器的商業(yè)化開始普及，使用FOC控 制技術的障礙變?yōu)檩^高的成本、復雜的結構和較低的可維護性。與直流驅 動器相比，F(xiàn)OC控制交流驅動器需要非常多的電子組件，如傳感器、放大 器等。隨著微電子技術的發(fā)展和進步，尤其是微處理器（即通常說的單片機， 圖9）和大功率金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET，圖10）的問 世和普及，使采用FOC方案控制設備的尺寸、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上，也逐漸出現(xiàn)在一些 高端家電中，如洗衣機電機、空調冰箱壓縮機等。FOC技術用于家電產品， 可有效提高性