谈谈 FOC 和 BLDC 电机控制

RF技术社区管管 · 发表于 2023-5-12 10:44:10

因为具备转矩波动小、效率高、噪声小和动态响应快等优势，无刷直流电机（BLDC 电机）最近几年被广泛应用到了包括空调压缩机、变频冰箱、洗衣机以及高速吸尘器、扫地机、无人机甚至电动车控制器等各种应用中。

根据 Allied Market Research 估计，到 2030 年，全球无刷直流电机市场将从 2020 年的 332 亿美元增至 722 亿美元。在此背后，就需要很多芯片厂商提供支持，Qorvo 正是其中一个领先供应商，其极具优势的集成式电机控制解决方案和 FOC 算法可实现更复杂的控制形式，帮助应对各种独特挑战。

日前，Qorvo 电机控制应用高级系统/应用工程师张绍发表了一个与 BLDC 和 FOC 相关的演讲，科普了 FOC 的相关知识，还讲解了 Qorvo 用于简化 FOC 实施方案的方法。

什么是 FOC？

FOC 是 Field-Oriented Control 的简称，也就是磁场定向控制，但大多数情况下，大家都称之为矢量控制。要了解什么是 FOC，则先要从电机驱动入手。

张绍介绍说，如下图所示，这是一个典型的驱动系统，其直流母线电压可以由电池供电，也可以从三相整流得到直流母线电压。当中的功率和三相功率电路主要功能是把直流母线电压转换为三相交流电压和电流，从而实现控制三相交流电机的目的。

其中，图左蓝色框内包含了数字控制器和电机控制相关的模拟电路；图右则包含了一个 MPOS，它能够借助类似霍尔传感器等器件或者软件的方式展示出电机的整体位置信息。

下图则展示了典型的双环电机控制系统，其中内环是 “电流环”，外环是 “速度环”。在内环 “电流环”中，一些比较重要的模块有 “Clark 变换” 和 “Park 变换” 等数学模块、电机电流信号检测模块以及能够提供电机的转速和转角位置信息的模块。

据张绍所说，这些模块都是非常重要的。为此在接下来的演讲中，他详细介绍了各大模块的功能。

首先看数学模块之一的 “Clark 变换”，其作用是把三相电机电流 Iu、Iv 和 Iw 转换成两相的 Ialpha 和 Ibeta。右图则展示了 “Clark 变换” 的过程和结果。

在经过 “Clark 变换” 得到了一个新的 Ialpha 和 Ibeta 之后，我们再使用 “Park 变换”，得到了 Iq 和 Id ——旋转坐标下的电流信号。更具体地说，通过 “Park 变换”，我们可以把三相交流电流信号转换成两相直流电流信号，从而可以把三相交流电机的控制变得和两相直流电机控制一样简单。

“这就是矢量控制的本质”，张绍强调。“通过这样的变换，我们可以把一个三相交流电机等效于一个两轴的直流电机来控制。”张绍接着说。

接下来，如下图所示，我们看一下电流采样电路。其中，最左的是基于三电阻的三相变换器，中间的则是 PAC 控制器的差分采样电路，最右边则是对应的 PWM 控制波形。“为了提高矢量控制的性能，我们通常推荐三相电路的检测是在同一个时刻。PAC 控制器具备 ADC 采样和维持功能。我们也支持三相差分电路，从而更好地检测电流。” 张绍说。他同时指出，为了提高电流的采样质量，Qorvo 推荐在变换器下开关管导通的中间采样电路，这样可以避免控制器的开关动作对电流信号的影响。

在有些应用场合，客户倾向于采用单电阻的模式检测电机的三相电流从而降低系统成本，下图左展现了这样的一个应用。据张绍介绍，这种方式的另外优势就是我们只需要采用一路差分电路就可以检测电流。同时，检测电路的时候，也希望是在 PWM 有效矢量的中间来检测电路，从而减小开关信号对电流采样的影响。

“在单电阻模式下，为了检测出电流，我们必须在有效矢量期间进行，在零矢量的情况下，我们无法检测电机的电流。而为了提高电流的检测精度，我们更是建议使用非对称的电流方法。” 张绍强调。

关于电流检测部分的内容，我们能从下图看到简明扼要的总结。

张绍接着说，在检测完电机的电流信号之后，希望反馈的电流能够跟踪其给定值。为了实现这个目的，他们通常则会使用 D 轴和 Q 轴的电流控制器，其中基于 PI 的电流控制器得到了广泛的使用。为了提高电流控制的性能和响应速度，PI 控制器的 Kp 和 Ki 参数都需要很精心的调节。

在张绍看来，这两个参数的调节是非常复杂的，但 Qorvo 提供 “电机参数自动诊断” 的功能，去检测电机的参数。从而根据电机参数计算出 “电流环” 和 “速度环” 的 Kp 和 Ki 参数，大大简化了电机调节的过程。

据张绍介绍，电路控制器的输出是电压的给定值（D 轴和 Q 轴的参考值），然后通过反向的 “Clark 变换”，得到 Valpha 和 Vbeta。从下图左中，我们也可以从 Valpha 和 Vbeta 得到三相电流的电压给定值，然后用作调制器输入，从而得到 “占空比” 的输出，进而控制三相逆变器以达到电机控制的目的。

“选择不同的中性电压可以形成不同的调制控制方法，从目前看来，空间矢量调制在电机控制领域被广泛应用。这一方面得益于其能提供正弦波的电流波形，同时这种调制方法还能提供较高的电压传输比，从而达到更高的电机控制转速。” 张绍说。

在前面的篇幅中，张绍分别介绍了坐标变换原理、电流控制器、电流采样电路和调制器。接下来，他将介绍电机转子位置模块。张绍指出，如图所示，我们可以通过 HALL、Encoder（QEP）和 Sensorless（Estimator）三种方式得到电机的转子位置和转速，这是矢量控制的核心部分。Qorvo 的软件解决方案同时支持 HALL、QEP 和 Estimator 这几种模式。“如图所示，我们还同时支持类似 Hall-Estimator 和 QEP-Estimator 这些两种混合模式。” 张绍强调。

在对 FOC 有了基本了解以后，我们接下来深入了解其在三相无刷直流电机中的应用。

FOC 在三相 BLDC 应用中的优势

要了解这个优势，我们首先要对相关原理有所了解。

“根据安培定律，在绕组中注入电流会产生磁场，其强度与电流的数值相关。应用到三相电机中，在我们向三相绕组注入三相交流电流后，在定子侧会产生旋转的磁场，其会与定子的永磁体磁场相互作用，从而产生转矩。这就是电机转矩生成的基本原理”，张绍解释说。

从下图我们也可以看到，当绕组磁场和定子磁场处于不同的角度下，其产生的转矩力度大小是不相同的，我们的目标是要把转矩最大化，同时减小电机定子电流。

在对其转矩产生的原理有了基本了解以后，我们接下来会介绍三相无刷直流电机的控制方法，当中就包括了 FOC。此外，如图所示，六步梯形波也是实现控制的另一个方法。

从下图，我们可以看到六步梯形波在定子侧生成旋转磁场的具体过程。“我们通常把 360 度分成六个扇区，每个扇区有固定的开关管导通，这样就能在 ‘定子绕组’ 中形成旋转磁场，获得旋转方向。如图所示，不同矢量的形成是由不同的开关管所决定的。” 张绍说。

从下图我们可以看到，我们可以通过选择适合的矢量，获得更优化的转矩。总而言之，这种六步梯形波方法不能时时刻刻把转矩角度维持在 90 度，只有在扇区中间的时候能达到这个角度，只在那个时刻才能生成最大转矩。

通过下面这幅图，我们则能了解到 “矢量控制” 方式下的转子转矩生成原理。如图所示，我们能够比较简单、且能时时刻刻地将定子磁场和绕组磁场维持在 90 度，从而产生更大的转矩，这与 “六步梯形波” 的控制方式有本质上的区别。

总结而言，“矢量控制” 方式具备以下多点的优势。Qorvo 则通过给客户提供软硬件结合的解决方案，降低客户开发相关产品的门槛并缩短开发周期。

张绍表示，“六步梯形波” 控制的方式较之 “矢量控制” 产生了更大的噪音。而这主要是由电机绕组的电流谐波造成的转矩波动而产生。

“在需要减少振动、降低电机的谐波含量、降低噪音等应用场景，FOC 会是更优的选择。” 张绍说。

Qorvo 降低 FOC 的实施门槛

据张绍介绍，为了简化 FOC 应用的实施，Qorvo 提供了软硬件结合的解决方案：

在硬件方面，除了提供基于 Arm cortex-M0 和 Arm cortex-M4 的 PAC 控制器系列外，Qorvo 还提供了基于这些控制器而开发的测试板，客户可以在其上运行不同的控制方法；在软件方面，针对矢量控制，Qorvo 提供了多样化的算法。为了简化客户调节控制器的参数，Qorvo 开发了电机的参数整定功能，通过整定电机的电阻和电感，从而得到电流控制器的参数和速度控制器的参数。

“我们还有更高级的算法，能够检测到电机的故障情况。” 张绍说。他指出，如图所示，Qorvo 的产品还支持了不同的开发环境，方便开发者的开发。回到 FOC 方面，Qorvo 则提供了各种各样的功能，以满足不同场合的需求。“我们还提供了用户界面，以方便客户调试其电机。” 张绍在演讲中强调。