高效BLDC控制和FOC先進(jìn)控制對比

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道，從簡單的電動工具、電風(fēng)扇到復(fù)雜的機(jī)器人、汽車電機(jī)，許多機(jī)器設(shè)備都使用高能效的無刷直流電機(jī)BLDC將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在高效率、高扭矩、低噪音、長壽命、響應(yīng)快速等優(yōu)勢的加持下，越來越多電動設(shè)備開始向BLDC轉(zhuǎn)變。

雖然BLDC有著這么多優(yōu)勢，但實(shí)現(xiàn)BLDC的控制是相對較難的，比有刷電機(jī)難很多而且硬件成本也更高。

高效BLDC的復(fù)雜控制

從工作原理上來看，BLDC作為電機(jī)，其基本構(gòu)造也是定子加轉(zhuǎn)子，不過其定子和轉(zhuǎn)子和有刷電機(jī)是相反的。BLDC的定子是通電的線圈，轉(zhuǎn)子是永磁體。那么根據(jù)電磁感應(yīng)原理，只要給定子上的線圈接入適當(dāng)方向的電流，讓產(chǎn)生的磁極方向與永磁體的磁極相對應(yīng)，就可以旋轉(zhuǎn)起來。

也就是說，控制電流的大小和方向，就能控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。進(jìn)一步對接入電流線圈的定子進(jìn)行優(yōu)化，就能產(chǎn)生很多控制方式。BLDC的控制雖然在原理上和有刷電機(jī)相似，但實(shí)現(xiàn)起來卻要難得多，BLDC需要復(fù)雜的控制器才能將單個直流電源轉(zhuǎn)換為三相電壓，而有刷電機(jī)可以直接通過調(diào)節(jié)直流電壓來控制。

原理層面固然通俗易懂，但是真正實(shí)現(xiàn)起來，控制BLDC的難度還是不小的。

控制電流的大小和方向就能控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，這里有很多控制算法的應(yīng)用。然后還需要知道轉(zhuǎn)子的位置，對位置的測量是確定電機(jī)何時換相所需的輸入。對于轉(zhuǎn)子位置的感測，又區(qū)分出有傳感器和無傳感器的路線。

對開環(huán)控制而言，這些已經(jīng)足夠，但是在需要精確速度控制的場景里，加入PID閉環(huán)的控制是有必要的。對于閉環(huán)速度控制，需要對轉(zhuǎn)子速度或電機(jī)電流以及PWM信號進(jìn)行測量，以控制電機(jī)速度以及功率。

目前的BLDC配置，硬件層面絕大多數(shù)控制方式都以六個功率開關(guān)器件構(gòu)成的電子換相電路搭配成全橋，控制和驅(qū)動組合，再加上位置反饋電路和電流采樣電路。軟件層面則是方波、正弦波控制算法。

低成本高性價比方波控制

方波控制里最具代表性的六步換相，在傳統(tǒng)的電調(diào)控制里使用的非常多。所謂六步換相，本質(zhì)上就是復(fù)現(xiàn)有刷換相的過程，只是在BLDC中沒有了電刷。六步換相法每360°電周期換相6次，換相發(fā)生在兩個相鄰狀態(tài)的切換瞬間，以此產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，拉動永磁體轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。

六步換相同樣有無感和有感的控制方式，有感的控制很簡單，配置三個位置傳感器，每60°電周期會有傳感器的狀態(tài)發(fā)生改變，以此確定何時換相。那么無感怎么判斷轉(zhuǎn)子位置？用反電動勢。

在這種控制配置里，位置反饋電路被反電動勢過零檢測電路取代。每當(dāng)電機(jī)發(fā)生換向時，反電動勢的電壓極性發(fā)生變化，經(jīng)過零值。通過識別反電動勢過零點(diǎn)，來識別轉(zhuǎn)速位置換向的過程。

這種無感的六步換相方案難度比有感高，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為零或者很低的時候，這個反電動勢很難檢測到。需要分多步來啟動電機(jī)直到反電動勢能被準(zhǔn)確檢測到才能正常切換為六步控制。此外，反電動勢的檢測和電機(jī)效率息息相關(guān)。

換相的時間會影響到電機(jī)效率，但檢測到反電動勢過零后準(zhǔn)確到最佳電角度的時間卻只能通過推斷得出，而且推斷算法的執(zhí)行本身也需要時間。所以最佳換相時間的算法是控制里很受關(guān)注的一點(diǎn)。一些算法可以選擇檢測到過零點(diǎn)后立即換相，在高速的情況下這種電機(jī)的效率很高。

總的來看，方波控制很實(shí)用且簡單，但確實(shí)存在比較大的轉(zhuǎn)矩脈動，會有比較大的噪音。借助更先進(jìn)的FOC控制，可以克服很多方波控制的缺點(diǎn)。

高成本高效率FOC先進(jìn)控制

有感的FOC通過SVPWM合成矢量磁場，再通過傳感器檢測手段測量轉(zhuǎn)子位置，然后對磁場進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

目前隨著電機(jī)控制性能要求的逐年提升，BLDC FOC控制算法目前已經(jīng)確立了主導(dǎo)地位，這主要還是因?yàn)镕OC能在最大程度上實(shí)現(xiàn)更高的效率、更低的振動、更小的噪音、更平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩控制以及更快的動態(tài)響應(yīng)速度等精密控制目標(biāo)，也是現(xiàn)在BLDC和PMSM最優(yōu)的控制，目前FOC正弦波控制已在很多應(yīng)用上替代了其他的控制方式。

FOC算法的本質(zhì)是矩陣變換，是復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，而無感FOC沒有了額外的傳感器，進(jìn)一步加大了控制難度，控制算法更為復(fù)雜。但是無感FOC也為整個電機(jī)控制帶來了更為簡潔的布局并降低了傳感器失效的風(fēng)險，而且無感FOC高頻注入算法也能帶來帶載起動并突加負(fù)載運(yùn)行的優(yōu)勢。

過去FOC復(fù)雜的運(yùn)算需要借助DSP來實(shí)現(xiàn)，尤其是無感FOC?，F(xiàn)在很多芯片廠商都開發(fā)了專用于電機(jī)控制的MCU，而且也應(yīng)用自家的芯片實(shí)現(xiàn)了FOC電機(jī)控制的相關(guān)算法，或者是將FOC控制相關(guān)的模塊使用硬件的方式集成在了芯片內(nèi)部來進(jìn)行控制。

FOC的核心源自閉環(huán)負(fù)反饋，因此其帶寬是電機(jī)控制產(chǎn)品最重要的衡量指標(biāo)之一。而代碼執(zhí)行時間決定了帶寬，這也造成了目前市場上電機(jī)控制產(chǎn)品性能輸出有差異的現(xiàn)象。國內(nèi)不少廠商的BLDC驅(qū)控芯片已經(jīng)做得很優(yōu)秀。

如兆易創(chuàng)新針對電機(jī)驅(qū)動的GD32F407、GD32E50X系列，支持高動態(tài)性能FOC，可以滿足多種實(shí)時通訊需求，支持多種無傳感器算法，既能解決強(qiáng)算力高動態(tài)FOC的需求，也能兼顧成本敏感需求。

國民技術(shù)的N32M41x系列也能提供各種電機(jī)控制算法在內(nèi)的高競爭力MCU方案，而且還針對市場需求開發(fā)了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的電機(jī)參數(shù)自動識別技術(shù)和獨(dú)有的電機(jī)算法保護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的BLDC控制。

峰岹科技則從底層架構(gòu)上將芯片、電機(jī)驅(qū)動架構(gòu)、電機(jī)技術(shù)三者有效結(jié)合，用算法硬件化的技術(shù)路徑，在芯片架構(gòu)層面實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電機(jī)驅(qū)動控制算法，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電機(jī)驅(qū)動控制處理器內(nèi)核，旗下FT8132系列表現(xiàn)搶眼。

中微半導(dǎo)體近期也針對吸塵器應(yīng)用，推出了以微控制器CMS32M57xx為主控的低壓無感FOC應(yīng)用解決方案，采用無感FOC單電阻控制方式，配置了自收斂直接閉環(huán)啟動算法適應(yīng)不同負(fù)載啟動，亮點(diǎn)突出。

RISC-V內(nèi)核領(lǐng)域先楫半導(dǎo)體的HPM6700系列也很有特色，高主頻給FOC運(yùn)算帶來了明顯的提升，內(nèi)外環(huán)（電流環(huán)和位置速度環(huán)）的執(zhí)行時間表現(xiàn)很出色，能實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步、參數(shù)辨識等復(fù)雜電機(jī)控制算法與電流環(huán)的同步。

國內(nèi)還有很多在BLDC控制領(lǐng)域做得相當(dāng)出色的廠商和產(chǎn)品，這里不一一列舉，在低速帶載、帶載高速、IPM零速帶載、無感器正反轉(zhuǎn)切等難點(diǎn)上國內(nèi)都有不錯的解決方案。

小結(jié)?

FOC算法的鋪開，以其高效率優(yōu)勢對BLDC驅(qū)控硬件的性能要求提高了不少，成本上會高出一籌，同時還需要電機(jī)參數(shù)相匹配。不過更為復(fù)雜的FOC控制為BLDC應(yīng)用帶來了更高的效率和更精準(zhǔn)的控制。在FOC已經(jīng)成了各國內(nèi)廠商BLDC標(biāo)配的形勢下，高集成度和更多的外設(shè)配置也成了BLDC控制芯片競爭的重點(diǎn)。

編輯：黃飛