無刷電機(jī)屬于自換流型（自我方向轉(zhuǎn)換），因此控制起來更加復(fù)雜。BLDC電機(jī)控制要求了解電機(jī)進(jìn)行整流轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)子位置和機(jī)制。對于閉環(huán)速度控制，有兩個(gè)附加要求，即對于轉(zhuǎn)子速度/或電機(jī)電流以及PWM信號(hào)進(jìn)行測量，以控制電機(jī)速度功率。

BLDC電機(jī)可以根據(jù)應(yīng)用要求采用邊排列或中心排列PWM信號(hào)。大多數(shù)應(yīng)用僅要求速度變化操作，將采用6個(gè)獨(dú)立的邊排列PWM信號(hào)。這就提供了最高的分辨率。如果應(yīng)用要求服務(wù)器定位、能耗制動(dòng)或動(dòng)力倒轉(zhuǎn)，推薦使用補(bǔ)充的中心排列PWM信號(hào)。

許多不同的控制算法都被用以提供對于BLDC電機(jī)的控制。典型地，將功率晶體管用作線性穩(wěn)壓器來控制電機(jī)電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)高功率電機(jī)時(shí)，這種方法并不實(shí)用。高功率電機(jī)必須采用PWM控制，并要求一個(gè)微控制器來提供起動(dòng)和控制功能。

控制算法必須提供下列三項(xiàng)功能：

用于控制電機(jī)速度的PWM電壓

用于對電機(jī)進(jìn)整流換向的機(jī)制

利用反電動(dòng)勢或霍爾傳感器來預(yù)測轉(zhuǎn)子位置的方法

脈沖寬度調(diào)制僅用于將可變電壓應(yīng)用到電機(jī)繞組。有效電壓與PWM占空度成正比。當(dāng)?shù)玫竭m當(dāng)?shù)恼鲹Q向時(shí)，BLDC的扭矩速度特性與以下直流電機(jī)相同。可以用可變電壓來控制電機(jī)的速度和可變轉(zhuǎn)矩。

功率晶體管的換向?qū)崿F(xiàn)了定子中的適當(dāng)繞組，可根據(jù)轉(zhuǎn)子位置生成最佳的轉(zhuǎn)矩。在一個(gè)BLDC電機(jī)中，MCU必須知道轉(zhuǎn)子的位置并能夠在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行整流換向。

FOC技術(shù)與普通馬達(dá)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢在哪？

■無刷直流電機(jī)（BLDC）既繼承了直流電機(jī)良好的調(diào)速性能,能夠在重負(fù)載的情況下,實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無級(jí)調(diào)速,又避免了傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)進(jìn)行電刷摩擦換向所導(dǎo)致的電機(jī)接觸不良、不發(fā)電等一系列問題,因此越來越受到人們的關(guān)注。

■ 目前市場主流的無刷直流電機(jī)的控制方式有3種：FOC、方波控制(也稱為梯形波控制、120°控制、6步換向控制)和正弦波控制，三種控制方式各有優(yōu)勢。

■方波控制方式的優(yōu)點(diǎn)是控制算法簡單、硬件成本較低，使用性能普通的控制器便能獲得較高的電機(jī)轉(zhuǎn)速。而缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、存在一定的電流噪聲、效率達(dá)不到最大值，所以方波控制適用于對電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)性能要求不高的場合。

■正弦波控制實(shí)現(xiàn)了電壓矢量的控制，間接實(shí)現(xiàn)了電流大小的控制，但是無法控制電流的方向。FOC控制方式可以認(rèn)為是正弦波控制的升級(jí)版本，實(shí)現(xiàn)了電流矢量的控制，也即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子磁場的矢量控制。

■FOC控制按照電機(jī)有無傳感器(一般為編碼器)來區(qū)分可以分為有感FOC和無感FOC，前者通過傳感器反饋電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，控制相對簡單，但對控制性能要求較高。后者由于電機(jī)不帶任何傳感器，所以在控制中需要通過采集電機(jī)相電流，使用位置估算算法來計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，所以控制難度較大，但是它可以避免傳感器故障的風(fēng)險(xiǎn)，并且省去了傳感器的成本，同時(shí)簡化了電機(jī)與驅(qū)動(dòng)板間的布線。

■大量的電機(jī)控制應(yīng)用一直在持續(xù)不斷地尋求提高效率同時(shí)降低系統(tǒng)成本的方法，這是兩個(gè)推動(dòng)改進(jìn)現(xiàn)有電機(jī)控制技術(shù)的主要因素，所以在中、低成本應(yīng)用中，效率是使得FOC比標(biāo)量和梯形控制方法更受歡迎的另一個(gè)原因。

FOC技術(shù)與市面上FOC技術(shù)的優(yōu)勢與特色

■FOC 需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，這對于普通設(shè)計(jì)人員來說可能并不熟悉，所以在過去，設(shè)計(jì)師們通常依賴于復(fù)雜的數(shù)字訊號(hào)處理 (DSP) 芯片來實(shí)現(xiàn)無傳感器FOC。

■而且目前關(guān)于FOC技術(shù)而言，雖然有多家芯片制造商開發(fā)了專用于電機(jī)控制的芯片，而且也應(yīng)用他們的芯片實(shí)現(xiàn)了FOC電機(jī)控制的相關(guān)算法，但是他們的FOC電機(jī)控制算法并沒有完全開源，只是提供了一個(gè)函數(shù)API供用戶使用。也有一些國內(nèi)的芯片廠商將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，用戶只需要去配置一些相關(guān)的寄存器就可以使用FOC算法來控制電機(jī)。而且也有一些公司也確實(shí)是使用了以上的方式應(yīng)用到了相應(yīng)項(xiàng)目中。

■但是，在目前的市面上沒有真正達(dá)到開源FOC算法的廠家。絕大多數(shù)工程師并沒有了解FOC電機(jī)控制算法，也沒法自己獨(dú)立的去編寫相關(guān)代碼，僅僅只是局限于對原有非核心代碼的小修小補(bǔ)來完成項(xiàng)目的開發(fā)。

■而我們本次線上班的目的就是完全解決上面的瓶頸，讓大家不再只會(huì)調(diào)用相關(guān)函數(shù)API接口，我們的所有代碼不調(diào)用任何庫函數(shù)，讓大家真正學(xué)會(huì)如何自己去編寫FOC算法里面的代碼，知道每條代碼的含義。還會(huì)帶領(lǐng)大家一起把相關(guān)算法的理論全部推導(dǎo)一遍，比如SVPWM算法、滑模觀測器算法等，讓大家知其然還要知其所以然。

■本次線上班采用視頻加輔導(dǎo)的形式，學(xué)員自己白天先觀看老師錄制的教學(xué)視頻，如果學(xué)員對視頻中有不是太明白的地方，晚上老師會(huì)在群里跟學(xué)員們互動(dòng)，帶領(lǐng)大家把當(dāng)天的課程中的問題解決掉。

FOC線上班知識(shí)要點(diǎn)

FOC開發(fā)板的展示、原理圖、pcb、實(shí)物、代碼

原理圖

pcb圖

實(shí)物圖

SVPWM算法推導(dǎo)

滑模觀測結(jié)構(gòu)圖

滑模觀測器理論推導(dǎo)

坐標(biāo)變換推導(dǎo)

SVPWM算法函數(shù)

滑模觀測器算法函數(shù)

FOC相關(guān)波形圖

三相定子電壓波形

Ealpha、Ebeta與位置角

PWM生成的馬鞍波

PWM生成的馬鞍波

Ua、Ub、Uc經(jīng)CLARKE變化為Ualpha、Ubeta

定子電流矢量角與轉(zhuǎn)子位置角

電機(jī)開環(huán)啟動(dòng)電流

電機(jī)開環(huán)切閉環(huán)過程

電機(jī)閉環(huán)電流波形（空載）