从方波控制到无感FOC电调，什么促使电机系统发生巨变？

从方波控制到无感FOC电调，什么促使电机系统发生巨变？

采用方波控制算法的电调，让无刷电机真正被引入航模及无人机领域。不过在使用过程中，这种控制算法的劣势也越来越明显。这也让一种早已有之的算法——FOC被引入无刷电调的设计中。

传统电调的控制方式是电调控制无刷电机内线圈绕组换向，多用六步换向法，控制方式则是方波控制。所谓方波控制，就是上述切换只负责开关电路，绕组的电流只有“通”和“断”两种状态；电调通过控制接通的频率来调节转速，通过控制“通”和“断”的比例来控制平均电流大小。在一个控制周期内，绕组的“通”、“断”比例被称为“占空比”，这种控制称为占空比控制（PWM）。

在方波控制方式下，电调只需控制电路的“通”、“断”。这种方法的控制率算法较为简单：电调无需获得电机转子的具体角度值，只需判断感应到的反向电动势是否过零点，过零点后即可执行换向操作。

方波控制的缺陷基于前文所述六步换向法、采用方波控制算法的电调，在使用过程中暴露了其固有缺陷，具体表现为以下4点。

01 驱动电流的峰值较高

方波控制模式下的电机，电机绕组线圈内的电流只有“通”和“断”两种状态。即使在占空比很小的低功率状态下，电机电流平均值较小，绕组线圈的脉动电流峰值也会很大。由于绕组线圈的电阻发热量与其电流值的平方成正比，因此电机的发热损耗较大。

02存在脉动转矩

如果电调采用方波控制，那么与之相连的电机内部磁场强度和方向实际是跳跃的，由此产生的扭矩自然也是脉动的。在对控制精度要求很高的动力系统中，这种脉动会降低飞行器的稳定性，尤其是依赖扭矩控制航向的多旋翼无人机，会给自动控制带来更多的干扰因素。

03震动和噪声较大

电机内存在脉动扭矩，带来的直观感受是飞行器的震动和噪声较大。这种震动通过电机传递给机身，在影响机身结构疲劳寿命的同时，还会干扰自驾系统的传感器以及任务载荷。更有甚者，若是振动频率与机身结构的共振频率相近，发生耦合现象，会严重影响整机性能和安全性。

对消费级无人机而言，脉动扭矩带来的噪声会影响用户的使用体验，干扰航拍效果。而某些专门领域的无人机，对低可探测性有要求，较大的噪声会令其更易被发现。

04低速和启动性能较差

滑模变结构控制利用不连续的开关控制方法来强迫系统的状态变量沿着相平面中某一滑动模态轨迹运动。

该控制方法最大的优点是对参数变化和外部干扰的不敏感性，即强鲁棒性，加上其开关特性，特别适用于电力电子系统的闭环控制。

但滑模变结构控制存在系统稳态效果不佳、理想滑模切换面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。

如今，逆变电源的滑模变结构控制的研究方兴未艾，特别滑模变控制和其它智能控制策略相结合所构成的符合控制策略的研究倍受关注。

05磁场导向控制FOC

随着电调产品的更新换代，一种优于方波控制的理论算法被引入电调控制程序中，那就是FOC（Field-Oriented Control）。

FOC被称为磁场导向控制，是一种利用变频器（VFD）控制三相交流电机的技术。这种技术通过调整变频器的输出频率、输出电压的大小及相位，来控制电机的输出。其特性是可以单独控制电机中每个绕组线圈的磁场方向和强度，类似他励式直流电机。由于在FOC算法的方程式中，三相交流电机的定子电流通过两个可视化的正交矢量分量来描述，因此这种控制方法又被称为矢量控制（Vector Control）。

FOC方法可用于控制交流感应电机和直流无刷电机。最开始出现这种控制方法，就是为了提高电机的性能。在FOC控制下，电机不仅能在全速范围内平稳运行，以零速度产生额定扭矩，还具备良好的高速动态性能，如能够做到快速地加速或减速。它并不是什么新近发明的“黑科技”，相关理论在几十年前就已经提出。

派克变换被誉为20世纪发表的第二重要的电工电子论文，一直被用在同步电机及感应电机的分析及研究中，是了解磁场导向控制最需要知道的概念。这个概念由罗伯特·派克（Robert Park）在1929年提出，可将与电机相关的变系数的微分方程变换为“时不变”系数的微分方程。

达姆施塔特工业大学的K. Hasse，以及西门子公司的F. Blaschke分别在1968年和20世纪70年代提出了矢量控制的概念。其中Hasse提的是间接矢量控制，Blaschke提的是直接矢量控制。

随后布伦瑞克工业大学的维尔纳·莱昂哈德（Werner Leonhard）进一步发展了磁场导向控制技术，使得交流电机驱动器开始有机会取代直流电机驱动器。但是当时微处理器尚未商品化，相较于直流电机驱动器，交流电机驱动器的成本高、架构复杂，且不易维护。加之那时的矢量控制技术需要用到大量传感器、放大器等元件，成本较高，所以无法将其大规模地应用在小型交流电机驱动器中。

到了20世纪80年代早期，微处理器的商业化开始普及，使用FOC控制技术的障碍变为较高的成本、复杂的结构和较低的可维护性。与直流驱动器相比，FOC控制交流驱动器需要非常多的电子组件，如传感器、放大器等。

随着微电子技术的发展和进步，尤其是微处理器（即通常说的单片机）和大功率金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的问世和普及，使采用FOC方案控制设备的尺寸、重量大幅下降，制造成本和能耗也逐年降低。矢量控制除了用在高性能的电机上，也逐渐出现在一些高端家电中，如洗衣机电机、空调冰箱压缩机等。

FOC技术用于家电产品，可有效提高性能、降低噪声和能耗。在单片机的控制下，通过采用FOC算法，空调压缩机甚至能以低至数赫兹的频率安静平稳运转。可以预见，随着微处理器计算能力的提高，它在未来很可能会取代单变量的电压-频率（V/F）控制模式。

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