老算法的新应用（下）

张智勇

随着高性能微处理器的尺寸越来越小、价格越来越低，电流、频率、相位均可调的正弦波控制逐渐替代简单的PWM方波驱动电机，实现了更可靠的启动、更顺畅的加减速和更平稳安静的运行。这使得无人机不仅能可靠、精确地控制自身飞行姿态和轨迹，其上搭载的精密设备也能在震动更小的平台上执行更多样化的任务。

FOC控制在无人机/航模领域的兴起

上述控制方式被引入到无人机/航模无刷电调的设计后，发展出无感FOC电调（图1）。近两年来，越来越多的无人机/航模厂商开始研发生产采用FOC矢量控制方案的电调（图2）。

无感FOC电调和普通方波控制电调在硬件构架上差别不大，最大的区别是前者采用了正弦波驱动电机（图3）。因为方波控制只能调节占空比，而正弦波能同时调节输出电压、正弦波频率和相位，所以在无感FOC电调控制下的磁场是旋转的、而非跳跃切换，不仅减小了电机的脉动转矩，运行更平稳、更安静，而且峰值电流的脉动也大大减小。此外，无感FOC电调可通过计算向量关系，实时调整3组正弦波的相位，进行精确的扭矩控制，而方波电调却只能设置一种或者“高-中-低”少数几种简单的进角。因此，受无感FOC电调控制的电机拥有更好的启动和加减速性能。

之前，笔者曾总结过FOC控制方案的优点，这些也体现在采用了FOC控制方案的电调里。

1.转矩脉动小，更静音。

使用FOC控制方案的电调，其所在电动动力系统的最大特点是安静（图4）。由于采用了矢量控制、正弦驱动，电机的转矩脉动非常小、噪声更小。举例来说，某些使用方波控制的传统电调，与之相连的电机在启动时会发生抖动，并发出“咔咔咔”的声音；在急加油门时，会发出刮擦声。而使用FOC控制方案的电调，电机就不再发出这些声音。

2.峰值电流更小

使用方波控制的电调，在急加油门时可能因续流时间过长导致电机堵转。而使用FOC控制方案的电调，从原理上杜绝了这种现象。因为采用这种控制，电调不会一直在电机绕组上加载全电压，所以绕组线圈中的峰值电流更小。这不仅减小了绕组线圈发热带来的能量损失，也降低了大峰值脉冲电流可能给电机元器件造成的损伤。

3.加减速性能更好

因为无感FOC电调的相电流采用了矢量解算、正弦波控制，所以在电机加减速时能更好地调整相位、控制转矩，获得更快的响应速度。

传统方波控制的电调，一般不支持电压相位超前，控制电机力矩（电流）时，电流相位会出现延后的现象。而FOC控制的电调能做到电压相位超前，改变电机力矩的响应速度更快。另无感FOC电调可做能量回馈制动，相比传统方波电调利用电机本身的感应电流刹车，减速制动的响应速度更快。

FOC电调的技术方案特点

采用FOC控制的电调与方波控制相比，虽然主要电路结构近似，但因控制方式有很大改变，故前者不仅在控制软件算法方面比后者更复杂，而且对主控芯片的计算能力、MOS管的响应速度、感应电动势的采集电路都有更高的要求。

FOC控制算法的理论是公开的，有兴趣的读者可以通过查阅书籍文献，或者各大芯片厂商的官网获得FOC控制方案的软件算法，如应用笔记、参考源代码等。在某些方案中，只要稍微调整一下代码中的参数，就可以上机运行。

除了算法问题，设计无感FOC电调时，还应选择合适的主控芯片。采用方波控制的电调，算法相对简单，较低端的单片机（如C8051F390，主频50MHz）即可满足需求（图5）。而无感FOC电调，则需要运行速度更高的主控芯片，才能满足算法要求（图6）。

以热销的大疆“精灵”消费级四旋翼无人机系列为例，其第二代产品使用的是方波控制电调，第三代产品则采用了基于TI INSTA-FOC方案的无感FOC电调。其主控芯片为DRV8301和F28027F组合，主频90MHz，可对48KHz范围内的频率进行调整（图7）。相比采用方波控制电调的第二代产品，新一代产品的工作噪声明显下降，启动、加速也更顺畅，用户使用后普遍反映较好。

有的业余爱好者用开源单片机，成功做出了FOC矢量控制电调。笔者曾看过有模友用英飞凌（Infineon）ARM M0处理器（XMC1300/XMC1301/XMC1302单片机，主频32MHz）自制的无感FOC电调，相比前文提到的TI INSTA-FOC方案的90MHz单片机，运行速度明显慢一些。具体表现是这款自制的无感FOC电调，其单片机执行无感FOC算法的时间更长，只能做到24KHz范围内的频率调整。也有模友曾用Microchip AN1078处理器自制电调，效果还不错。

因为软件算法的通用性，所以更高端的DSP芯片也可用于自制无感FOC电调（图8），如DSPIC 33FJ12MC202、DSPIC 33EP32MC202等。常见的是SSOP28封装，体积更小的QFN28封装会贵一些。总的来说，自制无感FOC电调的运行速度主要取决于主控芯片的主频，大家可在芯片价格与电调运行速度之间寻求最优解决方案。

除此之外，Microchip、NXP、FreeScale等知名芯片厂商都有自己的FOC控制方案，配有详细的芯片资料和开源代码开发文档。

FOC电调的位置检测

从控制理论上说，无感FOC电调需要对相位进行调节，即准确知道电机转子的位置，也就是电相位角度。对于装有位置传感器的无刷电机，这点容易实现，通过霍尔元件或变压器式角度传感器即可获知角度信息。消费级航拍无人机的相机云台，其中的两自由度云台控制电机，就是带有位置传感器的无刷电机。与之类似的手持云台，其电机采用的也是FOC矢量控制方案，能精确灵敏地让镜头取景（图9）。

动力电机多为无位置传感器的无刷电机。如前文所述，采用方波控制的电调，与之相连的电机的反电动势也为方波，电调的感应电路通过检测过零点进行换相。换成FOC控制方案后，电机的反电动势为正弦波（图10），但电调的感应电路通过反电动势只能检测过零点，无法准确反映当前电机转子的角度位置。而无感FOC电调的反电动势检测电路，通常只会添加两个采样电阻和1个双运放，并不会大幅修改电路架构。

现有的解决方法是，通过检测到的过零点，来推测当前电机转子的角度位置。以前面提到的TI INSTA方案为例，该芯片程序有个叫FAST观测器的模块。这个模块可基于相电压和相电流的变化估算电机转子的位置，且估算的电相位角度非常准确。在FAST模块的帮助下，实际测试中采用FOC控制方案的电动动力系统在转速低至30 - 50转/分的情况下，速度闭环依然很平顺，而传统的方波电调则很难在这么低的转速下稳定运行。遗憾的是，TI INSTA方案把FAST的代码以库的形式固化在ROM里，这部分并不开源。相比之下，Microchip就公开了所有源代码，方便了懂得编制算法的资深玩家。

FOC电调的启动控制

电调能否可靠地启动电机并迅速、平稳地加速到工作转速，对使用效果有很大影响。因此与方波控制电调一样，无感FOC电调的启动算法也十分关键。

在无法很好解决电机转子位置估算问题时，有些方案选择避开这个难题：先采取方波启动，待电机转速稳定后再切换成FOC控制运行的方式。这个方法还是不错的。

而在有类似TI INSTA方案的FAST观测器模块的情况下，则可全程使用全正弦驅动，同样能获得平滑稳定的正弦波启动效果。

FOC技术的局限性

虽然采用FOC矢量控制技术的电调有诸多优点，但并非毫无缺点。方波控制的电调，适用于多种电机；而无感FOC电调，则无法达到前者那么高的电机兼容性。

原因是FOC控制方案需要判断电机转子的实时位置，而观测器模块其实是通过建立电机的数学模型，用检测反向电动势估算得到的，不像方波控制那样只要知道过零点就可以了。而要建立电机的数学模型，就得用专业的LCR测试仪器测量电机参数，并将这些参数输入算法的头文件里。也就是说，受制于算法本身，FOC矢量控制高度依赖电机的数字模型，不仅需要针对电机的参数做匹配，而且匹配之后不能随意更换其他参数的电机。

尽管无感FOC电调在不同电机的兼容性方面还有待改善，但在固定参数的成套设备上已经显现出优势，赢得了用户的广泛好评。