小型 DC 电机磁场定向控制让无人机进入更高远的飞行航迹

　　无刷直流 (BLDC) 电机寿命长、采用直流电源且相对经济实惠，因此广泛应用于硬盘驱动器、冷却风扇和 DVD 播放机等电子设备的设计。 通常情况下，BLDC 的速度和扭矩由 MCU 使用标量技术控制。

　　现在一类新型应用正悄然兴起，其中以四旋翼无人机最具代表性，这类应用正日益受到业余爱好者的青睐。 此外，无人机也正被监控等众多商业应用纳入考量。 对这些应用而言，尤其重要的是控制器的动态响应，以及控制器在低速和无传感器的情况下平稳控制 BLDC 的能力。

　　对于负载动态变化的应用来说，标量技术不够精确。 而磁场定向控制 (FOC) 技术能够大大提高精度，因而广泛用于驱动高端工业 AC 设备。 通过实施 FOC，BLDC 能够以合理的成本为无人机和其他高性能应用(例如医疗机器人、万向系统和自主驾驶车辆)提供精确控制。

　　设计这类产品在过去并非易事。 其中需要精通 FOC 或直接扭矩控制 (DTC) 等某些其他高级先进的电机控制技术，以及专用软件开发系统的操作知识。 如果应用对成本敏感，例如可能在执法行动中使用的带监控摄像头的无人机，则设计经济实惠的 BLDC 电机也将面临挑战。

　　磁场定向控制 (FOC)

　　用于控制 BLDC 电机的传统标量技术被称为六步(梯形)控制。 定子以六步过程驱动，会在产生的扭矩上振荡。 每一对绕组会通电，直到转子到达下一位置，而此时电机将转换到下一步。 对于无传感器的应用，在定子绕组中产生的反电动势通常用于确定转子的位置。

　　标量控制的动态响应无法处理动态负载快速变化的应用。 因此，矢量控制正日益得到广泛应用，从交流电机驱动的白色家电(如洗衣机)到以电池供电的产品。

　　FOC 是矢量控制最常用的方法之一。 其工作原理为：管理定子绕组以确保转子的永磁体所产生的磁通正交于定子的磁场。

　　FOC 最初是为控制三相交流电机而开发。 考虑到用于小型无人机的 BLDC 电源是电压为 21 V (五节锂聚合物电池)的电池，电子元器件必须包含低压三相逆变器系统。 其他主要的元器件还有电机驱动器、MCU 以及执行 FOC 算法的软件，其中软件可能是最重要的。

　　FOC 处理在直轴 - 交轴 (d-q) 域中完成，该域是一个旋转参照系。 直轴和交轴分量是磁链状态矢量分解的两个分量，即产生磁通 (d) 和扭矩 (q) 的分量。 此关系如图 1 所示。 电机定子绕组内的电流处于受控状态，以确保转子的永磁体所产生的磁通正交(成 90°)于定子的磁场。 除产生精确的电机控制之外，这种方式还能够提供极其精确的扭矩控制，这才是在 d-q 坐标系中操作的真正优势。

　　

　　图 1： 直轴 - 交轴 (d-q) 力矩分量。

　　FOC 包含三个域变换： (1) 定子中的测量相电流从 3 相静止坐标系变换到 2 相静止坐标系 (α, β);(2) 该 2 相静止坐标系变换为与转子磁通对齐的旋转二项坐标系 (d-q);(3) 为了实际驱动电机，d-q 分量又变回到定子坐标系，用于空间矢量脉冲宽度调制 (SVPWM)。 此过程如图 2 所示。

　　

　　图 2： FOC 控制所需的域变换

　　为了将 d-q 坐标系与转子对齐，转子位置的详细信息是必不可少的。 从相对简单的反电动势过零检测，到复杂的滑模观察器和扩展 Kalman 滤波器，转子位置的估算技术各种各样。

　　驱动电机

　　从静止 3 相坐标系变换到 2 相 d-q 坐标系将产生之前所说的直轴和交轴分量。 直轴 (d) 分量无有效扭矩，而事实上，它往往会增加电机的轴承磨损。 因此，目标之一就是最大限度地减少此分量。 交轴 (q) 分量可产生实际的电机扭矩，这由应用来决定。

　　d-q 分量应用于两个 PI (比例-积分)控制器，分别对应零和应用扭矩设置，以产生矢量输出。 两个 PI 控制器的输出是是所需定子电压空间矢量的(新)直轴和交轴电压分量。 如之前所述，最后一步是将 d-q 分量转换回到定子坐标系中，以实际驱动电机。

　　上述过程只是 FOC 工作方式的总结， 而其实施所需的许多相当复杂的中间步骤，不在本文的范围内。 有关与小型无人机直接相关的更详细的 FOC 讨论，您可参阅澳大利亚中央昆士兰大学的帕特里克·费雪所写的论文“High Performance Motor Control”(高性能电机控制)。1

　　所需的中间步骤包括：

　　确定电机的特性(除极数以及电压与电流的额定值，BLDC 电机很少会提供更多的铭牌信息)

　　转子位置的估算(实施 FOC 控制的关键信息)

　　设计合适的电源控制方案

　　设计扭矩和速度控制器

　　从头开始设计一个完整的功能性 FOC 电机控制系统是一项令人望而却步的任务，因此 Texas Instruments、Atmel 和 NXP Semiconductors 等半导体公司已经打造了开发工具，以便为简化实施 FOC 的设计消除大部分的复杂性。 通常情况下，IC 供应商也会选择将开发工具使用的软件库存储在 ROM 中，并使其仅可在选定的 MCU 上使用，以此来保护其知识产权。

　　以 Texas Instruments 为例，该公司已将其 InstaSPIN-FOC 解决方案用于 TI C2000 Piccolo 32 位 MCU 系列的三个型号：F2806x、F2805x 和 F2802x。 对成本极其敏感型的小型无人机应用来说，最合适的 MCU 是 F2802x MCU 系列，其中最受欢迎的产品为 TMS320F28027FPTT。

　　如之前所述，精确的电机控制依赖于精确电机模型的建立。 InstaSPIN-FOC 包括一个名为“观察器”的专有软件算法，可估算转子磁通量、角度、速度和扭矩 (FAST)。 InstaSPIN-FOC 还具有电机参数识别能力，可在开发过程中离线提取必要的性能参数以及在工作过程中在线追踪参数。

　　电机参数信息用于调整电流控制带宽。 与其他技术不同的是，TI 的 FAST 观察算法有完全自微调的功能，无需为正常工作进行任何调整。 TI 称该算法是市场上唯一可靠且“即时”的无传感器 FOC 操作性解决方案。

　　因此，设计人员在启动开发之后，在短短几分钟之内便可拥有已完全微调的无传感器观察算法，以及完全微调的稳定 FOC 扭矩控制系统。 在螺旋桨控制等应用中，设计人员还需要做的唯一任务就是测试与微调 PI 速度控制单回路，以实现所需的性能和操作。

　　基本驱动系统的简化版本如图 3 所示。 转速 PI 控制器的输出将作为 PI 电流控制器的输入基准信号进行连接。 如果转速太低，电机将增大电流以产生更大的扭矩，从而加快转速。 反过来，如果电机运转过快，电机将减少扭矩以减慢转速。 这两个 PI 控制器共同形成了级联式控制回路，这就表示控制系统是由具有一个或多个内部回路的外部回路所组成。 (图中的 Kd、Kd、Ka 和 Kb 四个变量是电机控制软件生成的系数。)

　　

　　图 3： 速度控制器与电流控制器级联 (图片由 凯利讯半导体 提供)

　　关键元器件

　　除 MCU 之外，一些其他的关键元器件也值得一提。 三相驱动器和逆变器系统是必不可少的。 小扭矩无人机等低电流应用可使用 TI DRV83x2 系列集成式三相电机驱动器(例如 DRV8332DKDR)。 DRV83x2 系列包含先进的保护回路，该设计旨在促进系统的集成和易用性，以及保护设备免受短路、过流、超温和欠压等多种故障情况引起的永久性故障。

　　可能用于商业应用的高电流系统需要独立的前置驱动器，例如 DRV8301DCAR 和具有三相逆变器配置的单独 FET。 TI 的 CSD18533Q5A NexFET 功率 MOSFET 就是其中的一个例子。

　　开发软件对于基于 FOC 的电机控制应用的成功至关重要。 TI 已在 BoosterPack BOOSTXL-DRV8301 中开发了包含电机驱动开发软件的套件。 该套件通常是 6 到 24 V 电压以及高达 10 A 连续电流工作条件的最佳选择。 这种情况需要控制板，例如采用 InstaSPIN-FOC 技术的 C2000 Piccolo TMS320F28027F LaunchPad—LAUNCHXL-F28027F。 对连续电流低于 3.5 A 的电机来说，DRV8312-69M-KIT 通常是更合适的选择。

　　和其他供应商相比，TI 的产品系列更适合低压低扭矩的应用，但其他的个别供应商也可提供电机控制开发套件。 例如，NXP Semiconductors 为 BLDC 提供了电机控制开发套件。 OM13068 LPC1549 LPCXpresso 电机控制套件可与公司的 LPC1549JBD48QL MCU 配合使用。 该平台可用于控制 BLDC、BLAC、步进和双刷 DC 电机。

　　在性能方面，使用了上述元器件的设计可媲美市面上用于小型 BLDC 电机的电机控制器。 定制 FOC 控制器和 Plush 40 等商用控制器之间最显著的区别在于速度极低时的换向能力。 FOC 控制器能够以大约 100 RPM 的速度控制所有四个电机。 此外，通过使用 InstaSPIN 的速度环路，电机能够在这些低转速的情况下产生极大的扭矩。

　　定制 FOC 板也可实现快于商用控制器的最高电机速度。 平均来说，在电机速度从零增加至全速时，定制 FOC 控制器所需的时间减少了 35%。 另外，每个电机在 FOC 控制下的空载转速比任何受测试的商用控制器都要快。1

　　结论

　　一类新型的电机控制应用正在兴起，此应用需要对小型 BLDC 电机具备出色的动态响应。 这些应用包括医疗机器人、万向系统、自主驾驶车辆和小型无人机。 虽然 FOC 电机控制技术在过去几十年中广泛用于 AC 工业电机和白色家电电机，但由于此技术非常复杂，且需要高性能的 MCU，因此迄今为止尚未应用于由电池组供电的小型电机。 然而过去几年出现了让这种可能成为现实的新产品。