采用方波控制算法的電調(diào)，讓無(wú)刷電機(jī)真正被引入航模及無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。不過(guò)在使用過(guò)程中，這種控制算法的劣勢(shì)也越來(lái)越明顯。這也讓一種早已有之的算法——FOC被引入無(wú)刷電調(diào)的設(shè)計(jì)中。
傳統(tǒng)電調(diào)的控制方式是電調(diào)控制無(wú)刷電機(jī)內(nèi)線(xiàn)圈繞組換向，多用六步換向法，控制方式則是方波控制。所謂方波控制，就是上述切換只負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)電路，繞組的電流只有“通”和“斷”兩種狀態(tài)；電調(diào)通過(guò)控制接通的頻率來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，通過(guò)控制“通”和“斷”的比例來(lái)控制平均電流大小。在一個(gè)控制周期內(nèi)，繞組線(xiàn)圈的“通”、“斷”比例被稱(chēng)為“占空比”，這種控制稱(chēng)為占空比控制（PWM）。
在方波控制方式下，電調(diào)只需控制電路的“通”、“斷”。這種方法的控制率算法較為簡(jiǎn)單：電調(diào)無(wú)需獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的具體角度值，只需判斷感應(yīng)到的反向電動(dòng)勢(shì)是否過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零點(diǎn)后即可執(zhí)行換向操作。
方波控制的缺陷基于前文所述六步換向法、采用方波控制算法的電調(diào)，在使用過(guò)程中暴露了其固有缺陷，具體表現(xiàn)為以下4點(diǎn)。
1.驅(qū)動(dòng)電流的峰值較高
方波控制模式下的電機(jī)，電機(jī)繞組線(xiàn)圈內(nèi)的電流只有“通”和“斷”兩種狀態(tài)。即使在占空比很小的低功率狀態(tài)下，電機(jī)電流平均值較小，繞組線(xiàn)圈的脈動(dòng)電流峰值也會(huì)很大。由于繞組線(xiàn)圈的電阻發(fā)熱量與其電流值的平方成正比，因此電機(jī)的發(fā)熱損耗較大。
2.存在脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩
如果電調(diào)采用方波控制，那么與之相連的電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向?qū)嶋H是跳躍的，由此產(chǎn)生的扭矩自然也是脈動(dòng)的。在對(duì)控制精度要求很高的動(dòng)力系統(tǒng)中，這種脈動(dòng)會(huì)降低飛行器的穩(wěn)定性，尤其是依賴(lài)扭矩控制航向的多旋翼無(wú)人機(jī)，會(huì)給自動(dòng)控制帶來(lái)更多的干擾因素。
3.震動(dòng)和噪聲較大
電機(jī)內(nèi)存在脈動(dòng)扭矩，帶來(lái)的直觀感受是飛行器的震動(dòng)和噪聲較大。這種震動(dòng)通過(guò)電機(jī)傳遞給機(jī)身，在影響機(jī)身結(jié)構(gòu)疲勞壽命的同時(shí)，還會(huì)干擾自駕系統(tǒng)的傳感器以及任務(wù)載荷。更有甚者，若是振動(dòng)頻率與機(jī)身結(jié)構(gòu)的共振頻率相近，發(fā)生耦合現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重影響整機(jī)性能和安全性。
對(duì)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)而言，脈動(dòng)扭矩帶來(lái)的噪聲會(huì)影響用戶(hù)的使用體驗(yàn)，干擾航拍效果。而某些專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)，對(duì)低可探測(cè)性有要求，較大的噪聲會(huì)令其更易被發(fā)現(xiàn)。
4.低速和啟動(dòng)性能較差
在方波控制下，電機(jī)依賴(lài)感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)來(lái)完成過(guò)零檢測(cè)。啟動(dòng)初期，由于沒(méi)有初始位置參考，因此電調(diào)判斷零點(diǎn)位置存在困難。直觀感受是往往需要抖動(dòng)幾下，電機(jī)才開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。如果電機(jī)和電調(diào)匹配不好，或者電調(diào)的設(shè)置不正確，還可能出現(xiàn)電機(jī)原地抖動(dòng)、發(fā)熱、無(wú)法啟動(dòng)，或急加速時(shí)“丟步”、“掉速”等不正常現(xiàn)象。
磁場(chǎng)導(dǎo)向控制FOC
隨著電調(diào)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，一種優(yōu)于方波控制的理論算法被引入電調(diào)控制程序中，那就是FOC（Field-Oriented Control）。
FOC被稱(chēng)為磁場(chǎng)導(dǎo)向控制，是一種利用變頻器（VFD）控制三相交流電機(jī)的技術(shù)。這種技術(shù)通過(guò)調(diào)整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及相位，來(lái)控制電機(jī)的輸出。其特性是可以單獨(dú)控制電機(jī)中每個(gè)繞組線(xiàn)圈的磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度，類(lèi)似他勵(lì)式直流電機(jī)。由于在FOC算法的方程式中，三相交流電機(jī)的定子電流通過(guò)兩個(gè)可視化的正交矢量分量來(lái)描述，因此這種控制方法又被稱(chēng)為矢量控制（Vector Control）。
FOC方法可用于控制交流感應(yīng)電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)。最開(kāi)始出現(xiàn)這種控制方法，就是為了提高電機(jī)的性能。在FOC控制下，電機(jī)不僅能在全速范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行，以零速度產(chǎn)生額定扭矩，還具備良好的高速動(dòng)態(tài)性能，如能夠做到快速地加速或減速。它并不是什么新近發(fā)明的“黑科技”，相關(guān)理論在幾十年前就已經(jīng)提出。
派克變換被譽(yù)為20世紀(jì)發(fā)表的第二重要的電工電子論文，一直被用在同步電機(jī)及感應(yīng)電機(jī)的分析及研究中，是了解磁場(chǎng)導(dǎo)向控制最需要知道的概念。這個(gè)概念由羅伯特·派克（Robert Park）在1929年提出，可將與電機(jī)相關(guān)的變系數(shù)的微分方程變換為“時(shí)不變”系數(shù)的微分方程。
達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的K. Hasse，以及西門(mén)子公司的F. Blaschke分別在1968年和20世紀(jì)70年代提出了矢量控制的概念。其中Hasse提的是間接矢量控制，Blaschke提的是直接矢量控制。
隨后布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的維爾納·萊昂哈德（Werner Leonhard）進(jìn)一步發(fā)展了磁場(chǎng)導(dǎo)向控制技術(shù)，使得交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始有機(jī)會(huì)取代直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。但是當(dāng)時(shí)微處理器尚未商品化，相較于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的成本高、架構(gòu)復(fù)雜，且不易維護(hù)。加之那時(shí)的矢量控制技術(shù)需要用到大量傳感器、放大器等元件，成本較高，所以無(wú)法將其大規(guī)模地應(yīng)用在小型交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中。
到了20世紀(jì)80年代早期，微處理器的商業(yè)化開(kāi)始普及，使用FOC控制技術(shù)的障礙變?yōu)檩^高的成本、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較低的可維護(hù)性。與直流驅(qū)動(dòng)器相比，F(xiàn)OC控制交流驅(qū)動(dòng)器需要非常多的電子組件，如傳感器、放大器等。
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，尤其是微處理器（即通常說(shuō)的單片機(jī)）和大功率金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的問(wèn)世和普及，使采用FOC方案控制設(shè)備的尺寸、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電機(jī)上，也逐漸出現(xiàn)在一些高端家電中，如洗衣機(jī)電機(jī)、空調(diào)冰箱壓縮機(jī)等。
FOC技術(shù)用于家電產(chǎn)品，可有效提高性能、降低噪聲和能耗。在單片機(jī)的控制下，通過(guò)采用FOC算法，空調(diào)壓縮機(jī)甚至能以低至數(shù)赫茲的頻率安靜平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。可以預(yù)見(jiàn)，隨著微處理器計(jì)算能力的提高，它在未來(lái)很可能會(huì)取代單變量的電壓-頻率（V/F）控制模式。 |
