【導(dǎo)讀】因為具備轉(zhuǎn)矩波動小、效率高、噪聲小和動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)勢，無刷直流電機(jī)（BLDC 電機(jī)）最近幾年被廣泛應(yīng)用到了包括空調(diào)壓縮機(jī)、變頻冰箱、洗衣機(jī)以及高速吸塵器、掃地機(jī)、無人機(jī)甚至電動車控制器等各種應(yīng)用中。
根據(jù) Allied Market Research 估計，到 2030 年，全球無刷直流電機(jī)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(lǐng)先供應(yīng)商，其極具優(yōu)勢的集成式電機(jī)控制解決方案和 FOC 算法可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制形式，幫助應(yīng)對各種獨(dú)特挑戰(zhàn)。
日前，Qorvo 電機(jī)控制應(yīng)用高級系統(tǒng)/應(yīng)用工程師張紹發(fā)表了一個與 BLDC 和 FOC 相關(guān)的演講，科普了 FOC 的相關(guān)知識，還講解了 Qorvo 用于簡化 FOC 實(shí)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(shù)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(jī)驅(qū)動入手。
張紹介紹說，如下圖所示，這是一個典型的驅(qū)動系統(tǒng)，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(dāng)中的功率和三相功率電路主要功能是把直流母線電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)控制三相交流電機(jī)的目的。
其中，圖左藍(lán)色框內(nèi)包含了數(shù)字控制器和電機(jī)控制相關(guān)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(jī)的整體位置信息。
下圖則展示了典型的雙環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)，其中內(nèi)環(huán)是 “電流環(huán)”，外環(huán)是 “速度環(huán)”。在內(nèi)環(huán) “電流環(huán)”中，一些比較重要的模塊有 “Clark 變換” 和 “Park 變換” 等數(shù)學(xué)模塊、電機(jī)電流信號檢測模塊以及能夠提供電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角位置信息的模塊。
據(jù)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(xì)介紹了各大模塊的功能。
首先看數(shù)學(xué)模塊之一的 “Clark 變換”，其作用是把三相電機(jī)電流 Iu、Iv 和 Iw 轉(zhuǎn)換成兩相的 Ialpha 和 Ibeta。右圖則展示了 “Clark 變換” 的過程和結(jié)果。
在經(jīng)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(zhuǎn)坐標(biāo)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(zhuǎn)換成兩相直流電流信號，從而可以把三相交流電機(jī)的控制變得和兩相直流電機(jī)控制一樣簡單。
“這就是矢量控制的本質(zhì)”，張紹強(qiáng)調(diào)。“通過這樣的變換，我們可以把一個三相交流電機(jī)等效于一個兩軸的直流電機(jī)來控制?！睆埥B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(yīng)的 PWM 控制波形?！盀榱颂岣呤噶靠刂频男阅?，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(zhì)量，Qorvo 推薦在變換器下開關(guān)管導(dǎo)通的中間采樣電路，這樣可以避免控制器的開關(guān)動作對電流信號的影響。
在有些應(yīng)用場合，客戶傾向于采用單電阻的模式檢測電機(jī)的三相電流從而降低系統(tǒng)成本，下圖左展現(xiàn)了這樣的一個應(yīng)用。據(jù)張紹介紹，這種方式的另外優(yōu)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(guān)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(jìn)行，在零矢量的情況下，我們無法檢測電機(jī)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(qiáng)調(diào)。
關(guān)于電流檢測部分的內(nèi)容，我們能從下圖看到簡明扼要的總結(jié)。
張紹接著說，在檢測完電機(jī)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(shí)現(xiàn)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(yīng)速度，PI 控制器的 Kp 和 Ki 參數(shù)都需要很精心的調(diào)節(jié)。
在張紹看來，這兩個參數(shù)的調(diào)節(jié)是非常復(fù)雜的，但 Qorvo 提供 “電機(jī)參數(shù)自動診斷” 的功能，去檢測電機(jī)的參數(shù)。從而根據(jù)電機(jī)參數(shù)計算出 “電流環(huán)” 和 “速度環(huán)” 的 Kp 和 Ki 參數(shù)，大大簡化了電機(jī)調(diào)節(jié)的過程。
據(jù)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(diào)制器輸入，從而得到 “占空比” 的輸出，進(jìn)而控制三相逆變器以達(dá)到電機(jī)控制的目的。
“選擇不同的中性電壓可以形成不同的調(diào)制控制方法，從目前看來，空間矢量調(diào)制在電機(jī)控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)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(diào)制方法還能提供較高的電壓傳輸比，從而達(dá)到更高的電機(jī)控制轉(zhuǎn)速?！?張紹說。
在前面的篇幅中，張紹分別介紹了坐標(biāo)變換原理、電流控制器、電流采樣電路和調(diào)制器。接下來，他將介紹電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)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?！叭鐖D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(qiáng)調(diào)。
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(jī)中的應(yīng)用。
FOC 在三相 BLDC 應(yīng)用中的優(yōu)勢
要了解這個優(yōu)勢，我們首先要對相關(guān)原理有所了解。
“根據(jù)安培定律，在繞組中注入電流會產(chǎn)生磁場，其強(qiáng)度與電流的數(shù)值相關(guān)。應(yīng)用到三相電機(jī)中，在我們向三相繞組注入三相交流電流后，在定子側(cè)會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，其會與定子的永磁體磁場相互作用，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。這就是電機(jī)轉(zhuǎn)矩生成的基本原理”，張紹解釋說。
從下圖我們也可以看到，當(dāng)繞組磁場和定子磁場處于不同的角度下，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩力度大小是不相同的，我們的目標(biāo)是要把轉(zhuǎn)矩最大化，同時減小電機(jī)定子電流。
在對其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)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(jī)的控制方法，當(dāng)中就包括了 FOC。此外，如圖所示，六步梯形波也是實(shí)現(xiàn)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(cè)生成旋轉(zhuǎn)磁場的具體過程。“我們通常把 360 度分成六個扇區(qū)，每個扇區(qū)有固定的開關(guān)管導(dǎo)通，這樣就能在 ‘定子繞組’ 中形成旋轉(zhuǎn)磁場，獲得旋轉(zhuǎn)方向。如圖所示，不同矢量的形成是由不同的開關(guān)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(yōu)化的轉(zhuǎn)矩。總而言之，這種六步梯形波方法不能時時刻刻把轉(zhuǎn)矩角度維持在 90 度，只有在扇區(qū)中間的時候能達(dá)到這個角度，只在那個時刻才能生成最大轉(zhuǎn)矩。
通過下面這幅圖，我們則能了解到 “矢量控制” 方式下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，這與 “六步梯形波” 的控制方式有本質(zhì)上的區(qū)別。
總結(jié)而言，“矢量控制” 方式具備以下多點(diǎn)的優(yōu)勢。Qorvo 則通過給客戶提供軟硬件結(jié)合的解決方案，降低客戶開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的門檻并縮短開發(fā)周期。
張紹表示，“六步梯形波” 控制的方式較之 “矢量控制” 產(chǎn)生了更大的噪音。而這主要是由電機(jī)繞組的電流諧波造成的轉(zhuǎn)矩波動而產(chǎn)生。
“在需要減少振動、降低電機(jī)的諧波含量、降低噪音等應(yīng)用場景，F(xiàn)OC 會是更優(yōu)的選擇?！?張紹說。
Qorvo 降低 FOC 的實(shí)施門檻
據(jù)張紹介紹，為了簡化 FOC 應(yīng)用的實(shí)施，Qorvo 提供了軟硬件結(jié)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(fā)的測試板，客戶可以在其上運(yùn)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(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，Qorvo 開發(fā)了電機(jī)的參數(shù)整定功能，通過整定電機(jī)的電阻和電感，從而得到電流控制器的參數(shù)和速度控制器的參數(shù)。
“我們還有更高級的算法，能夠檢測到電機(jī)的故障情況?！?張紹說。他指出，如圖所示，Qorvo 的產(chǎn)品還支持了不同的開發(fā)環(huán)境，方便開發(fā)者的開發(fā)。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(diào)試其電機(jī)?！?張紹在演講中強(qiáng)調(diào)。
為了運(yùn)行一些矢量控制軟件，如下圖所示，我們需要對基于 Qorvo 的硬件進(jìn)行基礎(chǔ)搭建，客戶可以根據(jù)其需求選擇合適 PAC 調(diào)試板進(jìn)行配置。
張紹總結(jié)說，如下圖所示，Qorvo 的 FOC Firmware 支持多樣化的功能。
同時，Qorvo 還提供了友好的用戶界面，集成了多個模塊，簡化客戶的產(chǎn)品開發(fā)。
為了方便客戶調(diào)試電機(jī)，優(yōu)化電機(jī)參數(shù)，Qorvo 還給客戶提供了不同的調(diào)試功能。
“前面談到的矢量控制功能，都可以在編譯的過程之前啟動或者不使用，具體的使用功能可以參考 Qorvo 提供的手冊?！?張紹說。
張紹表示，在公司的網(wǎng)站上，Qorvo 為客戶提供了詳細(xì)的資料和相關(guān)支持，歡迎客戶訪問并咨詢。
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