FOC在三相BLDC應用中的優勢解析

因為具備轉矩波動小、效率高、噪聲小和動態響應快等優勢，無刷直流電機（BLDC 電機）最近幾年被廣泛應用到了包括空調壓縮機、變頻冰箱、洗衣機以及高速吸塵器、掃地機、無人機甚至電動車控制器等各種應用中。

根據 Allied Market Research 估計，到 2030 年，全球無刷直流電機市場將從 2020 年的 332 億美元增至 722 億美元。在此背后，就需要很多芯片廠商提供支持，Qorvo 正是其中一個領先供應商，其極具優勢的集成式電機控制解決方案和 FOC 算法可實現更復雜的控制形式，幫助應對各種獨特挑戰。

日前，Qorvo 電機控制應用高級系統/應用工程師張紹發表了一個與 BLDC 和 FOC 相關的演講，科普了 FOC 的相關知識，還講解了 Qorvo 用于簡化 FOC 實施方案的方法。

什么是 FOC？

FOC 是 Field-Oriented Control 的簡稱，也就是磁場定向控制，但大多數情況下，大家都稱之為矢量控制。要了解什么是 FOC，則先要從電機驅動入手。

張紹介紹說，如下圖所示，這是一個典型的驅動系統，其直流母線電壓可以由電池供電，也可以從三相整流得到直流母線電壓。當中的功率和三相功率電路主要功能是把直流母線電壓轉換為三相交流電壓和電流，從而實現控制三相交流電機的目的。

其中，圖左藍色框內包含了數字控制器和電機控制相關的模擬電路；圖右則包含了一個 MPOS，它能夠借助類似霍爾傳感器等器件或者軟件的方式展示出電機的整體位置信息。

下圖則展示了典型的雙環電機控制系統，其中內環是 “電流環”，外環是 “速度環”。在內環 “電流環”中，一些比較重要的模塊有 “Clark 變換” 和 “Park 變換” 等數學模塊、電機電流信號檢測模塊以及能夠提供電機的轉速和轉角位置信息的模塊。

據張紹所說，這些模塊都是非常重要的。為此在接下來的演講中，他詳細介紹了各大模塊的功能。

首先看數學模塊之一的 “Clark 變換”，其作用是把三相電機電流 Iu、Iv 和 Iw 轉換成兩相的 Ialpha 和 Ibeta。右圖則展示了 “Clark 變換” 的過程和結果。

在經過 “Clark 變換” 得到了一個新的 Ialpha 和 Ibeta 之后，我們再使用 “Park 變換”，得到了 Iq 和 Id ——旋轉坐標下的電流信號。更具體地說，通過 “Park 變換”，我們可以把三相交流電流信號轉換成兩相直流電流信號，從而可以把三相交流電機的控制變得和兩相直流電機控制一樣簡單。

“這就是矢量控制的本質”，張紹強調。“通過這樣的變換，我們可以把一個三相交流電機等效于一個兩軸的直流電機來控制。”張紹接著說。

接下來，如下圖所示，我們看一下電流采樣電路。其中，最左的是基于三電阻的三相變換器，中間的則是 PAC 控制器的差分采樣電路，最右邊則是對應的 PWM 控制波形。“為了提高矢量控制的性能，我們通常推薦三相電路的檢測是在同一個時刻。PAC 控制器具備 ADC 采樣和維持功能。我們也支持三相差分電路，從而更好地檢測電流。” 張紹說。他同時指出，為了提高電流的采樣質量，Qorvo 推薦在變換器下開關管導通的中間采樣電路，這樣可以避免控制器的開關動作對電流信號的影響。

在有些應用場合，客戶傾向于采用單電阻的模式檢測電機的三相電流從而降低系統成本，下圖左展現了這樣的一個應用。據張紹介紹，這種方式的另外優勢就是我們只需要采用一路差分電路就可以檢測電流。同時，檢測電路的時候，也希望是在 PWM 有效矢量的中間來檢測電路，從而減小開關信號對電流采樣的影響。

“在單電阻模式下，為了檢測出電流，我們必須在有效矢量期間進行，在零矢量的情況下，我們無法檢測電機的電流。而為了提高電流的檢測精度，我們更是建議使用非對稱的電流方法。” 張紹強調。

關于電流檢測部分的內容，我們能從下圖看到簡明扼要的總結。

張紹接著說，在檢測完電機的電流信號之后，希望反饋的電流能夠跟蹤其給定值。為了實現這個目的，他們通常則會使用 D 軸和 Q 軸的電流控制器，其中基于 PI 的電流控制器得到了廣泛的使用。為了提高電流控制的性能和響應速度，PI 控制器的 Kp 和 Ki 參數都需要很精心的調節。

在張紹看來，這兩個參數的調節是非常復雜的，但 Qorvo 提供 “電機參數自動診斷” 的功能，去檢測電機的參數。從而根據電機參數計算出 “電流環” 和 “速度環” 的 Kp 和 Ki 參數，大大簡化了電機調節的過程。

據張紹介紹，電路控制器的輸出是電壓的給定值（D 軸和 Q 軸的參考值），然后通過反向的 “Clark 變換”，得到 Valpha 和 Vbeta。從下圖左中，我們也可以從 Valpha 和 Vbeta 得到三相電流的電壓給定值，然后用作調制器輸入，從而得到 “占空比” 的輸出，進而控制三相逆變器以達到電機控制的目的。

“選擇不同的中性電壓可以形成不同的調制控制方法，從目前看來，空間矢量調制在電機控制領域被廣泛應用。這一方面得益于其能提供正弦波的電流波形，同時這種調制方法還能提供較高的電壓傳輸比，從而達到更高的電機控制轉速。” 張紹說。

在前面的篇幅中，張紹分別介紹了坐標變換原理、電流控制器、電流采樣電路和調制器。接下來，他將介紹電機轉子位置模塊。張紹指出，如圖所示，我們可以通過 HALL、Encoder（QEP）和 Sensorless（Estimator）三種方式得到電機的轉子位置和轉速，這是矢量控制的核心部分。Qorvo 的軟件解決方案同時支持 HALL、QEP 和 Estimator 這幾種模式。“如圖所示，我們還同時支持類似 Hall-Estimator 和 QEP-Estimator 這些兩種混合模式。” 張紹強調。

在對 FOC 有了基本了解以后，我們接下來深入了解其在三相無刷直流電機中的應用。

FOC 在三相 BLDC 應用中的優勢

要了解這個優勢，我們首先要對相關原理有所了解。

“根據安培定律，在繞組中注入電流會產生磁場，其強度與電流的數值相關。應用到三相電機中，在我們向三相繞組注入三相交流電流后，在定子側會產生旋轉的磁場，其會與定子的永磁體磁場相互作用，從而產生轉矩。這就是電機轉矩生成的基本原理”，張紹解釋說。

從下圖我們也可以看到，當繞組磁場和定子磁場處于不同的角度下，其產生的轉矩力度大小是不相同的，我們的目標是要把轉矩最大化，同時減小電機定子電流。

在對其轉矩產生的原理有了基本了解以后，我們接下來會介紹三相無刷直流電機的控制方法，當中就包括了 FOC。此外，如圖所示，六步梯形波也是實現控制的另一個方法。

從下圖，我們可以看到六步梯形波在定子側生成旋轉磁場的具體過程。“我們通常把 360 度分成六個扇區，每個扇區有固定的開關管導通，這樣就能在 ‘定子繞組’ 中形成旋轉磁場，獲得旋轉方向。如圖所示，不同矢量的形成是由不同的開關管所決定的。” 張紹說。

從下圖我們可以看到，我們可以通過選擇適合的矢量，獲得更優化的轉矩。總而言之，這種六步梯形波方法不能時時刻刻把轉矩角度維持在 90 度，只有在扇區中間的時候能達到這個角度，只在那個時刻才能生成最大轉矩。

通過下面這幅圖，我們則能了解到 “矢量控制” 方式下的轉子轉矩生成原理。如圖所示，我們能夠比較簡單、且能時時刻刻地將定子磁場和繞組磁場維持在 90 度，從而產生更大的轉矩，這與 “六步梯形波” 的控制方式有本質上的區別。

總結而言，“矢量控制” 方式具備以下多點的優勢。Qorvo 則通過給客戶提供軟硬件結合的解決方案，降低客戶開發相關產品的門檻并縮短開發周期。

張紹表示，“六步梯形波” 控制的方式較之 “矢量控制” 產生了更大的噪音。而這主要是由電機繞組的電流諧波造成的轉矩波動而產生。

“在需要減少振動、降低電機的諧波含量、降低噪音等應用場景，FOC 會是更優的選擇。” 張紹說。

Qorvo?降低?FOC?的實施門檻

據張紹介紹，為了簡化 FOC 應用的實施，Qorvo 提供了軟硬件結合的解決方案：

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 還提供了基于這些控制器而開發的測試板，客戶可以在其上運行不同的控制方法；在軟件方面，針對矢量控制，Qorvo 提供了多樣化的算法。為了簡化客戶調節控制器的參數，Qorvo 開發了電機的參數整定功能，通過整定電機的電阻和電感，從而得到電流控制器的參數和速度控制器的參數。

“我們還有更高級的算法，能夠檢測到電機的故障情況。” 張紹說。他指出，如圖所示，Qorvo 的產品還支持了不同的開發環境，方便開發者的開發。回到 FOC 方面，Qorvo 則提供了各種各樣的功能，以滿足不同場合的需求。“我們還提供了用戶界面，以方便客戶調試其電機。” 張紹在演講中強調。