谈谈FOC和BLDC电机控制

电子工程世界 2023-05-23 07:30

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因为具备转矩波动小、效率高、噪声小和动态响应快等优势，无刷直流电机（BLDC 电机）最近几年被广泛应用到了包括空调压缩机、变频冰箱、洗衣机以及高速吸尘器、扫地机、无人机甚至电动车控制器等各种应用中。

根据 Allied Market Research 估计，到 2030 年，全球无刷直流电机市场将从 2020 年的 332 亿美元增至 722 亿美元。在此背后，就需要很多芯片厂商提供支持，Qorvo 正是其中一个领先供应商，其极具优势的集成式电机控制解决方案和 FOC 算法可实现更复杂的控制形式，帮助应对各种独特挑战。

日前，Qorvo 电机控制应用高级系统/应用工程师张绍发表了一个与 BLDC 和 FOC 相关的演讲，科普了 FOC 的相关知识，还讲解了 Qorvo 用于简化 FOC 实施方案的方法。

什么是 FOC？

FOC 是 Field-Oriented Control 的简称，也就是磁场定向控制，但大多数情况下，大家都称之为矢量控制。要了解什么是 FOC，则先要从电机驱动入手。

张绍介绍说，如下图所示，这是一个典型的驱动系统，其直流母线电压可以由电池供电，也可以从三相整流得到直流母线电压。当中的功率和三相功率电路主要功能是把直流母线电压转换为三相交流电压和电流，从而实现控制三相交流电机的目的。

其中，图左蓝色框内包含了数字控制器和电机控制相关的模拟电路；图右则包含了一个 MPOS，它能够借助类似霍尔传感器等器件或者软件的方式展示出电机的整体位置信息。

下图则展示了典型的双环电机控制系统，其中内环是 “电流环”，外环是 “速度环”。在内环 “电流环”中，一些比较重要的模块有 “Clark 变换” 和 “Park 变换” 等数学模块、电机电流信号检测模块以及能够提供电机的转速和转角位置信息的模块。

据张绍所说，这些模块都是非常重要的。为此在接下来的演讲中，他详细介绍了各大模块的功能。

首先看数学模块之一的 “Clark 变换”，其作用是把三相电机电流 Iu、Iv 和 Iw 转换成两相的 Ialpha 和 Ibeta。右图则展示了 “Clark 变换” 的过程和结果。

在经过 “Clark 变换” 得到了一个新的 Ialpha 和 Ibeta 之后，我们再使用 “Park 变换”，得到了 Iq 和 Id ——旋转坐标下的电流信号。更具体地说，通过 “Park 变换”，我们可以把三相交流电流信号转换成两相直流电流信号，从而可以把三相交流电机的控制变得和两相直流电机控制一样简单。

“这就是矢量控制的本质”，张绍强调。“通过这样的变换，我们可以把一个三相交流电机等效于一个两轴的直流电机来控制。”张绍接着说。