老算法的新應(yīng)用（中） 無感FOC電調(diào)在無人機(jī)/航模無刷電機(jī)上的運用

張智勇

采用方波控制算法的電調(diào)，讓無刷電機(jī)真正被引入航模及無人機(jī)領(lǐng)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——FOC被引入無刷電調(diào)的設(shè)計中。

傳統(tǒng)電調(diào)的控制方式

傳統(tǒng)電調(diào)控制無刷電機(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)通過控制接通的頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(nèi)，繞組線圈的“通”、“斷”比例被稱為“占空比”，這種控制稱為占空比控制（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單：電調(diào)無需獲得電機(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(jī)線圈繞組的感應(yīng)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(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)，在使用過程中暴露了其固有缺陷，具體表現(xiàn)為以下4點。

1.驅(qū)動電流的峰值較高

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，電機(jī)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(jī)的發(fā)熱損耗較大（圖4）。

2.存在脈動轉(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)部磁場強(qiáng)度和方向?qū)嶋H是跳躍的，由此產(chǎn)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(jī)，會給自動控制帶來更多的干擾因素。

3.震動和噪聲較大

電機(jī)內(nèi)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(jī)傳遞給機(jī)身，在影響機(jī)身結(jié)構(gòu)疲勞壽命的同時，還會干擾自駕系統(tǒng)的傳感器以及任務(wù)載荷（圖5）。更有甚者，若是振動頻率與機(jī)身結(jié)構(gòu)的共振頻率相近，發(fā)生耦合現(xiàn)象，會嚴(yán)重影響整機(jī)性能和安全性。

對消費級無人機(jī)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(lǐng)域的無人機(jī)，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）。

4.低速和啟動性能較差

在方波控制下，電機(jī)依賴感應(yīng)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(diào)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(jī)才開始運轉(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、發(fā)熱、無法啟動，或急加速時“丟步”、“掉速”等不正常現(xiàn)象。

磁場導(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引入電調(diào)控制程序中，那就是FOC（Field-Oriented Control，圖7）。

FOC被稱為磁場導(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)通過調(diào)整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及相位，來控制電機(jī)的輸出（圖8）。其特性是可以單獨控制電機(jī)中每個繞組線圈的磁場方向和強(qiáng)度，類似他勵式直流電機(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（Vector Control）。

FOC方法可用于控制交流感應(yīng)電機(jī)和直流無刷電機(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，電機(jī)不僅能在全速范圍內(nèi)平穩(wěn)運行，以零速度產(chǎn)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(guān)理論在幾十年前就已經(jīng)提出。

派克變換被譽為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，是了解磁場導(dǎo)向控制最需要知道的概念。這個概念由羅伯特·派克（Robert Park）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“時不變”系數(shù)的微分方程。達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的K. Hasse，以及西門子公司的F. Blaschke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Hasse提的是間接矢量控制，Blaschke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（Werner Leonhard）進(jìn)一步發(fā)展了磁場導(dǎo)向控制技術(shù)，使得交流電機(jī)驅(qū)動器開始有機(jī)會取代直流電機(jī)驅(qū)動器。但是當(dāng)時微處理器尚未商品化，相較于直流電機(jī)驅(qū)動器，交流電機(jī)驅(qū)動器的成本高、架構(gòu)復(fù)雜，且不易維護(hù)。加之那時的矢量控制技術(shù)需要用到大量傳感器、放大器等元件，成本較高，所以無法將其大規(guī)模地應(yīng)用在小型交流電機(jī)驅(qū)動器中。

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)動器相比，F(xiàn)OC控制交流驅(qū)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(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，尤其是微處理器（即通常說的單片機(jī)，圖9）和大功率金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET，圖10）的問世和普及，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，可有效提高性能、降低噪聲和能耗。在單片機(jī)的控制下，通過采用FOC算法，空調(diào)壓縮機(jī)甚至能以低至數(shù)赫茲的頻率安靜平穩(wěn)運轉(zhuǎn)（圖11、圖12）?？梢灶A(yù)見，隨著微處理器計算能力的提高，它在未來很可能會取代單變量的電壓-頻率（V/F）控制模式。（未完待續(xù)）