小型DC電機(jī)磁場(chǎng)定向控制讓無(wú)人機(jī)進(jìn)入更高遠(yuǎn)的飛行航跡

無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)壽命長(zhǎng)、采用直流電源且相對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此廣泛應(yīng)用于硬盤驅(qū)動(dòng)器、冷卻風(fēng)扇和 DVD 播放機(jī)等電子設(shè)備的設(shè)計(jì)。通常情況下，BLDC 的速度和扭矩由 MCU 使用標(biāo)量技術(shù)控制。

現(xiàn)在一類新型應(yīng)用正悄然興起，其中以四旋翼無(wú)人機(jī)最具代表性，這類應(yīng)用正日益受到業(yè)余愛(ài)好者的青睞此外，無(wú)人機(jī)也正被監(jiān)控等眾多商業(yè)應(yīng)用納入考量。對(duì)這些應(yīng)用而言，尤其重要的是控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及控制器在低速和無(wú)傳感器的情況下平穩(wěn)控制 BLDC 的能力。

對(duì)于負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，標(biāo)量技術(shù)不夠精確。而磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 技術(shù)能夠大大提高精度，因而廣泛用于驅(qū)動(dòng)高端工業(yè) AC 設(shè)備。通過(guò)實(shí)施 FOC，BLDC 能夠以合理的成本為無(wú)人機(jī)和其他高性能應(yīng)用（例如醫(yī)療機(jī)器人、萬(wàn)向系統(tǒng)和自主駕駛車輛）提供精確控制。

設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品在過(guò)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(jí)先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)，以及專用軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的操作知識(shí)。如果應(yīng)用對(duì)成本敏感，例如可能在執(zhí)法行動(dòng)中使用的帶監(jiān)控?cái)z像頭的無(wú)人機(jī)，則設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 BLDC 電機(jī)也將面臨挑戰(zhàn)。

用于控制 BLDC 電機(jī)的傳統(tǒng)標(biāo)量技術(shù)被稱為六步（梯形）控制。定子以六步過(guò)程驅(qū)動(dòng)，會(huì)在產(chǎn)生的扭矩上振蕩。每一對(duì)繞組會(huì)通電，直到轉(zhuǎn)子到達(dá)下一位置，而此時(shí)電機(jī)將轉(zhuǎn)換到下一步。對(duì)于無(wú)傳感器的應(yīng)用，在定子繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)通常用于確定轉(zhuǎn)子的位置。

標(biāo)量控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)無(wú)法處理動(dòng)態(tài)負(fù)載快速變化的應(yīng)用。因此，矢量控制正日益得到廣泛應(yīng)用，從交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的白色家電（如洗衣機(jī)）到以電池供電的產(chǎn)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(zhuǎn)子的永磁體所產(chǎn)生的磁通正交于定子的磁場(chǎng)。

FOC 最初是為控制三相交流電機(jī)而開(kāi)發(fā)?？紤]到用于小型無(wú)人機(jī)的 BLDC 電源是電壓為 21 V （五節(jié)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(tǒng)。其他主要的元器件還有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、MCU 以及執(zhí)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(gè)旋轉(zhuǎn)參照系。直軸和交軸分量是磁鏈狀態(tài)矢量分解的兩個(gè)分量，即產(chǎn)生磁通 (d) 和扭矩 (q) 的分量。此關(guān)系如圖 1 所示。電機(jī)定子繞組內(nèi)的電流處于受控狀態(tài)，以確保轉(zhuǎn)子的永磁體所產(chǎn)生的磁通正交（成 90°）于定子的磁場(chǎng)。除產(chǎn)生精確的電機(jī)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(biāo)系中操作的真正優(yōu)勢(shì)。