老算法的新應(yīng)用（下）

張智勇

隨著高性能微處理器的尺寸越來(lái)越小、價(jià)格越來(lái)越低，電流、頻率、相位均可調(diào)的正弦波控制逐漸替代簡(jiǎn)單的PWM方波驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了更可靠的啟動(dòng)、更順暢的加減速和更平穩(wěn)安靜的運(yùn)行。這使得無(wú)人機(jī)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(shè)備也能在震動(dòng)更小的平臺(tái)上執(zhí)行更多樣化的任務(wù)。

FOC控制在無(wú)人機(jī)/航模領(lǐng)域的興起

上述控制方式被引入到無(wú)人機(jī)/航模無(wú)刷電調(diào)的設(shè)計(jì)后，發(fā)展出無(wú)感FOC電調(diào)（圖1）。近兩年來(lái)，越來(lái)越多的無(wú)人機(jī)/航模廠商開始研發(fā)生產(chǎn)采用FOC矢量控制方案的電調(diào)（圖2）。

無(wú)感FOC電調(diào)和普通方波控制電調(diào)在硬件構(gòu)架上差別不大，最大的區(qū)別是前者采用了正弦波驅(qū)動(dòng)電機(jī)（圖3）。因?yàn)榉讲刂浦荒苷{(diào)節(jié)占空比，而正弦波能同時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓、正弦波頻率和相位，所以在無(wú)感FOC電調(diào)控制下的磁場(chǎng)是旋轉(zhuǎn)的、而非跳躍切換，不僅減小了電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，運(yùn)行更平穩(wěn)、更安靜，而且峰值電流的脈動(dòng)也大大減小。此外，無(wú)感FOC電調(diào)可通過(guò)計(jì)算向量關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)整3組正弦波的相位，進(jìn)行精確的扭矩控制，而方波電調(diào)卻只能設(shè)置一種或者“高-中-低”少數(shù)幾種簡(jiǎn)單的進(jìn)角。因此，受無(wú)感FOC電調(diào)控制的電機(jī)擁有更好的啟動(dòng)和加減速性能。

之前，筆者曾總結(jié)過(guò)FOC控制方案的優(yōu)點(diǎn)，這些也體現(xiàn)在采用了FOC控制方案的電調(diào)里。

1.轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，更靜音。

使用FOC控制方案的電調(diào)，其所在電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是安靜（圖4）。由于采用了矢量控制、正弦驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)非常小、噪聲更小。舉例來(lái)說(shuō)，某些使用方波控制的傳統(tǒng)電調(diào)，與之相連的電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，并發(fā)出“咔咔咔”的聲音；在急加油門時(shí)，會(huì)發(fā)出刮擦聲。而使用FOC控制方案的電調(diào)，電機(jī)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(diào)，在急加油門時(shí)可能因續(xù)流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)。而使用FOC控制方案的電調(diào)，從原理上杜絕了這種現(xiàn)象。因?yàn)椴捎眠@種控制，電調(diào)不會(huì)一直在電機(jī)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(lái)的能量損失，也降低了大峰值脈沖電流可能給電機(jī)元器件造成的損傷。

3.加減速性能更好

因?yàn)闊o(wú)感FOC電調(diào)的相電流采用了矢量解算、正弦波控制，所以在電機(jī)加減速時(shí)能更好地調(diào)整相位、控制轉(zhuǎn)矩，獲得更快的響應(yīng)速度。

傳統(tǒng)方波控制的電調(diào)，一般不支持電壓相位超前，控制電機(jī)力矩（電流）時(shí)，電流相位會(huì)出現(xiàn)延后的現(xiàn)象。而FOC控制的電調(diào)能做到電壓相位超前，改變電機(jī)力矩的響應(yīng)速度更快。另無(wú)感FOC電調(diào)可做能量回饋制動(dòng)，相比傳統(tǒng)方波電調(diào)利用電機(jī)本身的感應(yīng)電流剎車，減速制動(dòng)的響應(yīng)速度更快。

FOC電調(diào)的技術(shù)方案特點(diǎn)

采用FOC控制的電調(diào)與方波控制相比，雖然主要電路結(jié)構(gòu)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(fù)雜，而且對(duì)主控芯片的計(jì)算能力、MOS管的響應(yīng)速度、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(guò)查閱書籍文獻(xiàn)，或者各大芯片廠商的官網(wǎng)獲得FOC控制方案的軟件算法，如應(yīng)用筆記、參考源代碼等。在某些方案中，只要稍微調(diào)整一下代碼中的參數(shù)，就可以上機(jī)運(yùn)行。

除了算法問(wèn)題，設(shè)計(jì)無(wú)感FOC電調(diào)時(shí)，還應(yīng)選擇合適的主控芯片。采用方波控制的電調(diào)，算法相對(duì)簡(jiǎn)單，較低端的單片機(jī)（如C8051F390，主頻50MHz）即可滿足需求（圖5）。而無(wú)感FOC電調(diào)，則需要運(yùn)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(fèi)級(jí)四旋翼無(wú)人機(jī)系列為例，其第二代產(chǎn)品使用的是方波控制電調(diào)，第三代產(chǎn)品則采用了基于TI INSTA-FOC方案的無(wú)感FOC電調(diào)。其主控芯片為DRV8301和F28027F組合，主頻90MHz，可對(duì)48KHz范圍內(nèi)的頻率進(jìn)行調(diào)整（圖7）。相比采用方波控制電調(diào)的第二代產(chǎn)品，新一代產(chǎn)品的工作噪聲明顯下降，啟動(dòng)、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(jī)，成功做出了FOC矢量控制電調(diào)。筆者曾看過(guò)有模友用英飛凌（Infineon）ARM M0處理器（XMC1300/XMC1301/XMC1302單片機(jī)，主頻32MHz）自制的無(wú)感FOC電調(diào)，相比前文提到的TI INSTA-FOC方案的90MHz單片機(jī)，運(yùn)行速度明顯慢一些。具體表現(xiàn)是這款自制的無(wú)感FOC電調(diào)，其單片機(jī)執(zhí)行無(wú)感FOC算法的時(shí)間更長(zhǎng)，只能做到24KHz范圍內(nèi)的頻率調(diào)整。也有模友曾用Microchip AN1078處理器自制電調(diào)，效果還不錯(cuò)。

因?yàn)檐浖惴ǖ耐ㄓ眯?，所以更高端的DSP芯片也可用于自制無(wú)感FOC電調(diào)（圖8），如DSPIC 33FJ12MC202、DSPIC 33EP32MC202等。常見的是SSOP28封裝，體積更小的QFN28封裝會(huì)貴一些?？偟膩?lái)說(shuō)，自制無(wú)感FOC電調(diào)的運(yùn)行速度主要取決于主控芯片的主頻，大家可在芯片價(jià)格與電調(diào)運(yùn)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(xì)的芯片資料和開源代碼開發(fā)文檔。

FOC電調(diào)的位置檢測(cè)

從控制理論上說(shuō)，無(wú)感FOC電調(diào)需要對(duì)相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，即準(zhǔn)確知道電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，也就是電相位角度。對(duì)于裝有位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)，這點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)，通過(guò)霍爾元件或變壓器式角度傳感器即可獲知角度信息。消費(fèi)級(jí)航拍無(wú)人機(jī)的相機(jī)云臺(tái)，其中的兩自由度云臺(tái)控制電機(jī)，就是帶有位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)。與之類似的手持云臺(tái)，其電機(jī)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(dòng)力電機(jī)多為無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)。如前文所述，采用方波控制的電調(diào)，與之相連的電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)也為方波，電調(diào)的感應(yīng)電路通過(guò)檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行換相。換成FOC控制方案后，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)為正弦波（圖10），但電調(diào)的感應(yīng)電路通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)只能檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)，無(wú)法準(zhǔn)確反映當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度位置。而無(wú)感FOC電調(diào)的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路，通常只會(huì)添加兩個(gè)采樣電阻和1個(gè)雙運(yùn)放，并不會(huì)大幅修改電路架構(gòu)。

現(xiàn)有的解決方法是，通過(guò)檢測(cè)到的過(guò)零點(diǎn)，來(lái)推測(cè)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)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(gè)叫FAST觀測(cè)器的模塊。這個(gè)模塊可基于相電壓和相電流的變化估算電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，且估算的電相位角度非常準(zhǔn)確。在FAST模塊的幫助下，實(shí)際測(cè)試中采用FOC控制方案的電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速低至30 - 50轉(zhuǎn)/分的情況下，速度閉環(huán)依然很平順，而傳統(tǒng)的方波電調(diào)則很難在這么低的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。遺憾的是，TI INSTA方案把FAST的代碼以庫(kù)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(diào)的啟動(dòng)控制

電調(diào)能否可靠地啟動(dòng)電機(jī)并迅速、平穩(wěn)地加速到工作轉(zhuǎn)速，對(duì)使用效果有很大影響。因此與方波控制電調(diào)一樣，無(wú)感FOC電調(diào)的啟動(dòng)算法也十分關(guān)鍵。

在無(wú)法很好解決電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算問(wèn)題時(shí)，有些方案選擇避開這個(gè)難題：先采取方波啟動(dòng)，待電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后再切換成FOC控制運(yùn)行的方式。這個(gè)方法還是不錯(cuò)的。

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

FOC技術(shù)的局限性

雖然采用FOC矢量控制技術(shù)的電調(diào)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但并非毫無(wú)缺點(diǎn)。方波控制的電調(diào)，適用于多種電機(jī)；而無(wú)感FOC電調(diào)，則無(wú)法達(dá)到前者那么高的電機(jī)兼容性。

原因是FOC控制方案需要判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置，而觀測(cè)器模塊其實(shí)是通過(guò)建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，用檢測(cè)反向電動(dòng)勢(shì)估算得到的，不像方波控制那樣只要知道過(guò)零點(diǎn)就可以了。而要建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，就得用專業(yè)的LCR測(cè)試儀器測(cè)量電機(jī)參數(shù)，并將這些參數(shù)輸入算法的頭文件里。也就是說(shuō)，受制于算法本身，F(xiàn)OC矢量控制高度依賴電機(jī)的數(shù)字模型，不僅需要針對(duì)電機(jī)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(jī)。

盡管無(wú)感FOC電調(diào)在不同電機(jī)的兼容性方面還有待改善，但在固定參數(shù)的成套設(shè)備上已經(jīng)顯現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，贏得了用戶的廣泛好評(píng)。