無刷直流 (BLDC) 電機壽命長、采用直流電源且相對經濟實惠，因此廣泛應用于硬盤驅動器、冷卻風扇和 DVD 播放機等電子設備的設計。通常情況下，BLDC 的速度和扭矩由 MCU 使用標量技術控制。

現在一類新型應用正悄然興起，其中以四旋翼無人機最具代表性，這類應用正日益受到業余愛好者的青睞此外，無人機也正被監控等眾多商業應用納入考量。對這些應用而言，尤其重要的是控制器的動態響應，以及控制器在低速和無傳感器的情況下平穩控制 BLDC 的能力。

對于負載動態變化的應用來說，標量技術不夠精確。而磁場定向控制 (FOC) 技術能夠大大提高精度，因而廣泛用于驅動高端工業 AC 設備。通過實施 FOC，BLDC 能夠以合理的成本為無人機和其他高性能應用（例如醫療機器人、萬向系統和自主駕駛車輛）提供精確控制。

設計這類產品在過去并非易事。其中需要精通 FOC 或直接扭矩控制 (DTC) 等某些其他高級先進的電機控制技術，以及專用軟件開發系統的操作知識。如果應用對成本敏感，例如可能在執法行動中使用的帶監控攝像頭的無人機，則設計經濟實惠的 BLDC 電機也將面臨挑戰。

磁場定向控制 (FOC)

用于控制 BLDC 電機的傳統標量技術被稱為六步（梯形）控制。定子以六步過程驅動，會在產生的扭矩上振蕩。每一對繞組會通電，直到轉子到達下一位置，而此時電機將轉換到下一步。對于無傳感器的應用，在定子繞組中產生的反電動勢通常用于確定轉子的位置。

標量控制的動態響應無法處理動態負載快速變化的應用。因此，矢量控制正日益得到廣泛應用，從交流電機驅動的白色家電（如洗衣機）到以電池供電的產品。

FOC 是矢量控制最常用的方法之一。其工作原理為：管理定子繞組以確保轉子的永磁體所產生的磁通正交于定子的磁場。

FOC 最初是為控制三相交流電機而開發。考慮到用于小型無人機的 BLDC 電源是電壓為 21 V （五節鋰聚合物電池）的電池，電子元器件必須包含低壓三相逆變器系統。其他主要的元器件還有電機驅動器、MCU 以及執行 FOC 算法的軟件，其中軟件可能是最重要的。

FOC 處理在直軸 - 交軸 (d-q) 域中完成，該域是一個旋轉參照系。直軸和交軸分量是磁鏈狀態矢量分解的兩個分量，即產生磁通 (d) 和扭矩 (q) 的分量。此關系如圖 1 所示。電機定子繞組內的電流處于受控狀態，以確保轉子的永磁體所產生的磁通正交（成 90°）于定子的磁場。除產生精確的電機控制之外，這種方式還能夠提供極其精確的扭矩控制，這才是在 d-q 坐標系中操作的真正優勢。

圖 1：直軸 - 交軸 (d-q) 力矩分量。

FOC 包含三個域變換：(1) 定子中的測量相電流從 3 相靜止坐標系變換到 2 相靜止坐標系 (α, β)；(2) 該 2 相靜止坐標系變換為與轉子磁通對齊的旋轉二項坐標系 (d-q)；(3) 為了實際驅動電機，d-q 分量又變回到定子坐標系，用于空間矢量脈沖寬度調制 (SVPWM)。此過程如圖 2 所示。

圖 2：FOC 控制所需的域變換

為了將 d-q 坐標系與轉子對齊，轉子位置的詳細信息是必不可少的。從相對簡單的反電動勢過零檢測，到復雜的滑模觀察器和擴展 Kalman 濾波器，轉子位置的估算技術各種各樣。

驅動電機

從靜止 3 相坐標系變換到 2 相 d-q 坐標系將產生之前所說的直軸和交軸分量。直軸 (d) 分量無有效扭矩，而事實上，它往往會增加電機的軸承磨損。因此，目標之一就是最大限度地減少此分量。交軸 (q) 分量可產生實際的電機扭矩，這由應用來決定。

d-q 分量應用于兩個 PI （比例-積分）控制器，分別對應零和應用扭矩設置，以產生矢量輸出。兩個 PI 控制器的輸出是是所需定子電壓空間矢量的（新）直軸和交軸電壓分量。如之前所述，最后一步是將 d-q 分量轉換回到定子坐標系中，以實際驅動電機。

上述過程只是 FOC 工作方式的總結，而其實施所需的許多相當復雜的中間步驟，不在本文的范圍內。有關與小型無人機直接相關的更詳細的 FOC 討論，您可參閱澳大利亞中央昆士蘭大學的帕特里克·費雪所寫的論文“HighPerformanceMotor Control”（高性能電機控制）。1

所需的中間步驟包括：

• 確定電機的特性（除極數以及電壓與電流的額定值，BLDC 電機很少會提供更多的銘牌信息）

• 轉子位置的估算（實施 FOC 控制的關鍵信息）

• 設計合適的電源控制方案

• 設計扭矩和速度控制器

從頭開始設計一個完整的功能性 FOC 電機控制系統是一項令人望而卻步的任務，因此?Texas Instruments、Atmel?和NXPSemiconductors等半導體公司已經打造了開發工具，以便為簡化實施 FOC 的設計消除大部分的復雜性。通常情況下，IC 供應商也會選擇將開發工具使用的軟件庫存儲在 ROM 中，并使其僅可在選定的 MCU 上使用，以此來保護其知識產權。

以 TexasInstruments 為例，該公司已將其InstaSPIN-FOC 解決方案用于 TIC2000Piccolo32位 MCU 系列的三個型號：F2806x、F2805x和F2802x。對成本極其敏感型的小型無人機應用來說，最合適的 MCU 是 F2802xMCU 系列，其中最受歡迎的產品為TMS320F28027FPTT。

如之前所述，精確的電機控制依賴于精確電機模型的建立InstaSPIN-FOC 包括一個名為“觀察器”的專有軟件算法，可估算轉子磁通量、角度、速度和扭矩 (FAST)。InstaSPIN-FOC 還具有電機參數識別能力，可在開發過程中離線提取必要的性能參數以及在工作過程中在線追蹤參數。

電機參數信息用于調整電流控制帶寬。與其他技術不同的是，TI 的 FAST 觀察算法有完全自微調的功能，無需為正常工作進行任何調整。 TI 稱該算法是市場上唯一可靠且“即時”的無傳感器 FOC 操作性解決方案。

因此，設計人員在啟動開發之后，在短短幾分鐘之內便可擁有已完全微調的無傳感器觀察算法，以及完全微調的穩定 FOC 扭矩控制系統。 在螺旋槳控制等應用中，設計人員還需要做的唯一任務就是測試與微調 PI 速度控制單回路，以實現所需的性能和操作。

基本驅動系統的簡化版本如圖 3 所示。轉速 PI 控制器的輸出將作為 PI 電流控制器的輸入基準信號進行連接。如果轉速太低，電機將增大電流以產生更大的扭矩，從而加快轉速。反過來，如果電機運轉過快，電機將減少扭矩以減慢轉速。這兩個 PI 控制器共同形成了級聯式控制回路，這就表示控制系統是由具有一個或多個內部回路的外部回路所組成。（圖中的 Kd、Kd、Ka 和 Kb 四個變量是電機控制軟件生成的系數。）

圖 3：速度控制器與電流控制器級聯（圖片由 Texas Instruments 提供）

關鍵元器件

除 MCU 之外，一些其他的關鍵元器件也值得一提。三相驅動器和逆變器系統是必不可少的。小扭矩無人機等低電流應用可使用 TI DRV83x2 系列集成式三相電機驅動器（例如DRV8332DKDR）。DRV83x2 系列包含先進的保護回路，該設計旨在促進系統的集成和易用性，以及保護設備免受短路、過流、超溫和欠壓等多種故障情況引起的永久性故障。

可能用于商業應用的高電流系統需要獨立的前置驅動器，例如DRV8301DCAR和具有三相逆變器配置的單獨 FET。TI 的CSD18533Q5ANexFET功率 MOSFET 就是其中的一個例子。

開發軟件對于基于 FOC 的電機控制應用的成功至關重要。TI 已在 BoosterPackBOOSTXL-DRV8301中開發了包含電機驅動開發軟件的套件。該套件通常是 6 到 24 V 電壓以及高達 10 A 連續電流工作條件的最佳選擇。這種情況需要控制板，例如采用 InstaSPIN-FOC 技術的 C2000 PiccoloTMS320F28027FLaunchPad—LAUNCHXL-F28027F。對連續電流低于 3.5 A 的電機來說，DRV8312-69M-KIT通常是更合適的選擇。

和其他供應商相比，TI 的產品系列更適合低壓低扭矩的應用，但其他的個別供應商也可提供電機控制開發套件。例如，NXPSemiconductors為 BLDC 提供了電機控制開發套件。OM13068 LPC1549LPCXpresso電機控制套件可與公司的LPC1549JBD48QLMCU配合使用。該平臺可用于控制BLDC、BLAC、步進和雙刷 DC 電機。

在性能方面，使用了上述元器件的設計可媲美市面上用于小型BLDC 電機的電機控制器。定制FOC 控制器和Plush 40 等商用控制器之間最顯著的區別在于速度極低時的換向能力。FOC 控制器能夠以大約100 RPM 的速度控制所有四個電機。此外，通過使用InstaSPIN 的速度環路，電機能夠在這些低轉速的情況下產生極大的扭矩。

定制FOC 板也可實現快于商用控制器的最高電機速度。平均來說，在電機速度從零增加至全速時，定制FOC 控制器所需的時間減少了35%。另外，每個電機在 FOC 控制下的空載轉速比任何受測試的商用控制器都要快。1

結論

一類新型的電機控制應用正在興起，此應用需要對小型 BLDC 電機具備出色的動態響應。這些應用包括醫療機器人、萬向系統、自主駕駛車輛和小型無人機。雖然 FOC 電機控制技術在過去幾十年中廣泛用于 AC 工業電機和白色家電電機，但由于此技術非常復雜，且需要高性能的 MCU，因此迄今為止尚未應用于由電池組供電的小型電機。然而過去幾年出現了讓這種可能成為現實的新產品。

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