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老算法的新应用（下） 随着高性能微处理器的尺寸越来越小、价格越来越低，电流、频率、相位均可调的正弦波控制逐渐替代简单的PWM方波驱动电机，实现了更可靠的启动、更顺畅的加减速和更平稳安静的运行。这使得无人机不仅能可靠、精确地控制自身飞行姿态和轨迹，其上搭载的精密设备也能在震动更小的平台上执行更多样化的任务。 FOC控制在无人机/航模领域的兴起 上述控制方式被引入到无人机/航模无刷电调的设计后，发展出无感FOC电调（图1）。近两年来，越来越多的无人机/航模厂商开始研发生产采用FOC矢量控制方案的电调（图2）。 无感FOC电调和普通方波控制电调在硬件构架上差别不大，最大的区别是前者采用了正弦波驱动电机（图3）。因为方波控制只能调节占空比，而正弦波能同时调节输出电压、正弦波频率和相位，所以在无感FOC电调控制下的磁场是旋转的、而非跳跃切换，不仅减小了电机的脉动转矩，运行更平稳、更安静，而且峰值电流的脉动也大大减小。此外，无感FOC电调可通过计算向量关系，实时调整3组正弦波的相位，进行精确的扭矩控制，而方波电调却只能设置一种或者“高-中-低”少数几种简单的进角。因此，受无感FOC电调控制的电机拥有更好的启动和加减速性能。 之前，笔者曾总结过FOC控制方案的优点，这些也体现在采用了FOC控制方案的电调里。 1.转矩脉动小，更静音。 使用FOC控制方案的电调，其所在电动动力系统的最大特点是安静（图4）。由于采用了矢量控制、正弦驱动，电机的转矩脉动非常小、噪声更小。举例来说，某些使用方波控制的传统电调，与之相连的电机在启动时会发生抖动，并发出“咔咔咔”的声音；在急加油门时，会发出刮擦声。而使用FOC控制方案的电调，电机就不再发出这些声音。 2.峰值电流更小 使用方波控制的电调，在急加油门时可能因续流时间过长导致电机堵转。而使用FOC控制方案的电调，从原理上杜绝了这种现象。因为采用这种控制，电调不会一直在电机绕组上加载全电压，所以绕组线圈中的峰值电流更小。这不仅减小了绕组线圈发热带来的能量损失，也降低了大峰值脉冲电流可能给电机元器件造成的损伤。 3.加减速性能更好 因为无感FOC电调的相电流采用了矢量解算、正弦波控制，所以在电机加减速时能更好地调整相位、控制转矩，获得更快的响应速度。 传统方波控制的电调，一般不支持电压相位超前，控制电机力矩（电流）时，电流相位会出现延后的现象。而FOC控制的电调能做到电压相位超前，改变电机力矩的响应速度更快。另无感FOC电调可做能量回馈制动，相比传统方波电调利用电机本身的感应电流刹车，减速制动的响应速度更快。 FOC电调的技术方案特点 采用FOC控制的电调与方波控制相比，虽然主要电路结构近似，但因控制方式有很大改变，故前者不仅在控制软件算法方面比后者更复杂，而且对主控芯片的计算能力、MOS管的响应速度、感应电动势的采集电路都有更高的要求。 FOC控制算法的理论是公开的，有兴趣的读者可以通过查阅书籍文献，或者各大芯片厂商的官网获得FOC控制方案的软件算法，如应用笔记、参考源代码等。在某些方案中，只要稍微调整一下代码中的参数，就可以上机运行。 除了算法问题，设计无感FOC电调时，还应选择合适的主控芯片。采用方波控制的电调，算法相对简单，较低端的单片机（如C8051F390，主频50MHz）即可满足需求（图5）。而无感FOC电调，则需要运行速度更高的主控芯片，才能满足算法要求（图6）。 以热销的大疆“精灵”消费级四旋翼无人机系列为例，其第二代产品使用的是方波控制电调，第三代产品则采用了基于TI INSTA-FOC方案的无感FOC电调。其主控芯片为DRV8301和F28027F组合，主频90MHz，可对48KHz范围内的频率进行调整（图7）。相比采用方波控制电调的第二代产品，新一代产品的工作噪声明显下降，启动、加速也更顺畅，用户使用后普遍反映较好。 有的业余爱好者用开源单片机，成功做出了FOC矢量控制电调。笔者曾看过有模友用英飞凌（Infineon）ARM M0处理器（XMC1300/XMC1301/XMC1302单片机，主频32MHz）自制的无感FOC电调，相比前文提到的TI INSTA-FOC方案的90MHz单片机，运行速度明显慢一些。具体表现是这款自制的无感FOC电调，其单片机执行无感FOC算法的时间更长，只能做到24KHz范围内的频率调整。也有模友曾用Microchip AN1078处理器自制电调，效果还不错。 因为软件算法的通用性，所以更高端的DSP芯片也可用于自制无感FOC电调（图8），如DSPIC 33FJ12MC202、DSPIC 33EP32MC202等。常见的是SSOP28封装，体积更小的QFN28封装会贵一些。总的来说，自制无感FOC电调的运行速度主要取决于主控芯片的主频，大家可在芯片价格与电调运