無感方波控制

考慮到技術(shù)實現(xiàn)的細節(jié)，一般論文對工程應(yīng)用的直接幫助不大，不如芯片廠商提供的應(yīng)用筆記和開源項目實用。工程師大都比較務(wù)實，需要的是即學(xué)即用，至少是有借鑒意義的技術(shù)知識和經(jīng)驗。

無感方波控制的參考資料，首推開源項目BLHeli。它起先是基于8位單片機C8051F330的匯編語言程序，最初用于微型直升機定速控制，改善效果非常明顯。作為過來人，筆者認為BLHeli是難得的匯編語言編程示范，值得好好學(xué)習(xí)和吸收。另外，無論是編寫匯編程序，還是進行程序分析，有了扎實的匯編語言基礎(chǔ)，你會感到有如神助。這里推薦讀者先學(xué)習(xí)王爽老師的《匯編語言》，之后再吃透BLHeli程序，就打下非常好的匯編語言基礎(chǔ)，以后一定會受益頗多！只不過，BLHeli后期改用32位單片機STM32F051，更名為BLHeli32之后，代碼就不再開源了。雖然功能豐富了許多，但隨著無感FOC的流行和單片機的飛速發(fā)展，以及功能定制化受到限制，BLHeli32并未能像BLHeli當(dāng)初那樣炙手可熱。

無感FOC

無感FOC的參考資料，現(xiàn)在還是比較豐富的，但商業(yè)上有諸多限制。

有的廠商提供了完整的程序，但里面是C語言和匯編語言的混合編程，匯編指令是和該廠商專有的DSP引擎綁定的，要達到廠商演示性能，只能使用其特定芯片。

有的廠商提供了全自動的電機控制代碼生成器，看似只要輸入各種參數(shù)，就能自動生成代碼，非常省事，但最大的問題是生成的代碼幾乎不存在可讀性，出現(xiàn)底層Bug時很難排查問題，而且所生成的代碼也無法滿足高性能應(yīng)用的要求。

有的廠商將優(yōu)秀的控制算法以硬件的形式固化到了單片機內(nèi)部，用戶無法了解其實現(xiàn)細節(jié)，只能在程序中調(diào)用其功能，輸入?yún)?shù)就可以得到滿意的性能，但需要購買這種特定的芯片。

有的廠商給出了全部的C語言代碼，但核心算法（如無感FOC的位置估計部分）是以庫的形式存在的，或者是將關(guān)鍵的核心參數(shù)用另外的程序自動計算后提供給用戶，用戶無法得知參數(shù)計算的具體過程。

還有廠商使用一顆低階芯片（如8051）完成接口通信和一些相對低速的處理，同時用協(xié)處理器硬件執(zhí)行快速的算法任務(wù)，如FOC的各種變換、PI調(diào)節(jié)、數(shù)字濾波、三角函數(shù)計算等。

綜上來看，各個廠商開放的代碼實例和硬件參考，都有著各種各樣、有意無意的限制，要么是難懂，要么是不全，要么是硬件非常貴，特別是開發(fā)板上的MAXON電機就價值幾百塊人民幣，著實不利于初學(xué)者上手。

廠商的應(yīng)用筆記，筆者強烈推薦Microchip的AN1078應(yīng)用筆記。大家可以下載早期的代碼壓縮包，因為早期的代碼結(jié)構(gòu)清晰、易于理解。而且，最好配合官方的MCLV控制板學(xué)習(xí)，使用配套的上位機有利于學(xué)習(xí)和確認。雖然里面嵌入了DSP引擎的匯編語言，但是查閱指令手冊、配合PICKIT3調(diào)試器，一步一步理解起來還是非常容易的。這個程序非常經(jīng)典，而且具備一定的實用價值，務(wù)必要吃透。

無感FOC的開源項目，自然首推VESC了，其開發(fā)者本杰明（Benjamin Vedder）也給出了參考的算法論文，大家可以看看論文的數(shù)學(xué)描述是如何轉(zhuǎn)化為代碼的。VESC的算法程序的各種“魔改”版本，以及所謂的去開源化自研項目，基本上撐起了視頻網(wǎng)站上無感FOC視頻秀的半邊天。它使用STM32F405作為主控，頻率高達168MHz，全部采用硬件浮點運算，配備USB接口的上位機顯示，電機參數(shù)等可以通過程序自動測量和整定，值得深入學(xué)習(xí)。其不足之處在于，開發(fā)平臺使用的操作系統(tǒng)不為大家所熟悉，單片機使用的操作系統(tǒng)也比較特殊，初學(xué)者不易理解。它最早是為滑板車直驅(qū)開發(fā)的，電流可以非常大，而車輪直徑小，以大電流強拖確實可以滿足要求。但是，用于高壓植保機那種大型螺旋槳的快速啟動，就會出現(xiàn)來回擺動的問題，必須先將螺旋槳強拖對齊后再行啟動?？紤]到STM32F405售價相對較高，在算法公開的情況下，很多人都會想到將其算法移植到更加便宜的ARM M3，甚至是M0核單片機上，這就考驗工程師的功力了。當(dāng)然，不用這個算法，也可以在M0核上實現(xiàn)乃至超過VESC的啟動算法的效果的。最近，VESC也展示和開源了基于高頻注入以及靜音型高頻注入的算法，效果也相當(dāng)不錯，只是需要測量電機的相電流，而且所需的運放比較貴，以致項目成本較高。

無感控制算法

無感方波控制算法

無感方波控制，說是沒有傳感器，實際是使用無刷電機線圈作為傳感器。方波控制也叫做六步驅(qū)動，電機旋轉(zhuǎn)一周要經(jīng)歷6種驅(qū)動狀態(tài)。它的特點是在電機旋轉(zhuǎn)的任何時刻，三個電機端子的一個接電源正極，一個接電源地，一個浮空。這樣，在浮空端子上就能檢測到電機線圈的反電動勢，當(dāng)永磁體經(jīng)過線圈時，反電動勢會出現(xiàn)由正轉(zhuǎn)負或由負轉(zhuǎn)正的變化。這個時刻就是所謂的“反電動勢過零點”，它剛好與線圈對齊，是一個固定的參考位置。基于三個電機端子接電阻網(wǎng)絡(luò)形成的虛擬中性點，單片機就可以通過比較器對浮空相電壓與虛擬中性點電壓進行比較，根據(jù)比較器的翻轉(zhuǎn)確定過零點，進而根據(jù)先前的換相時間推算出下一步換相的時刻。如此，不斷檢測對應(yīng)的過零點，并據(jù)此換相，就實現(xiàn)了電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)。

考慮到反電動勢與電機轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)電機靜止時，反電動勢為零，無法檢測過零點。而當(dāng)電機轉(zhuǎn)速過低時，反電動勢太小，信噪比過低，無法準確檢測過零點。畢竟有PWM調(diào)制的地方，電路噪聲都小不了。這就是說，可靠的過零點檢測有最低轉(zhuǎn)速要求。

一般來說，無感方波啟動算法實質(zhì)上都是盲啟，即啟動時根本不知道電機轉(zhuǎn)子的位置，而是直接按默認的換相狀態(tài)驅(qū)動，嘗試檢測過零點。如果在默認時間內(nèi)沒有檢測到對應(yīng)的過零點，那就按下一個換相狀態(tài)驅(qū)動并檢測過零點……直至檢測到合適的過零點，電機正常驅(qū)動。在此基礎(chǔ)上加以改進，也能得到令人滿意的啟動性能。由此可見，絕大部分論文稱“電機靜止時反電動勢為零，無法檢測過零點，所以無法啟動”，有人云亦云之嫌，快速啟動的實現(xiàn)在于理想條件和現(xiàn)實感知之間的權(quán)衡。想要知道一款無感驅(qū)動器是不是盲啟，可以在保證安全的前提下，以小電流啟動電機，用手捏住電機軸或其驅(qū)動的槳葉，只要電機連續(xù)來回擺動就可以判定為盲啟。這樣的驅(qū)動器無法在靜止狀態(tài)下保持對轉(zhuǎn)子位置的跟蹤。電機控制器性能不能僅看空載演示，一定要加負載。大電流鎖定后的慢速強拖只能適應(yīng)小慣量負載或空載，不能算超低速閉環(huán)控制，只能算開環(huán)強拖，沒什么實用價值。電感只有幾十微亨的航模電機和幾十毫亨電感的工業(yè)電機的控制特性大不相同，電感大的電機往往更好控制。

盲啟可以滿足大部分應(yīng)用需求，但存在一些限制。例如，某視頻網(wǎng)站上讓四旋翼飛行器在水中“飛行”的一個非典型應(yīng)用，可以明顯看到，原本在地面啟動非?？焖佟⑵交穆菪龢?，在水中的表現(xiàn)卻大相徑庭，有來回擺動強行定位的表征，就像動物被電擊時四肢肌肉繃緊一樣。究其原因，就在于這個電機的驅(qū)動仍然采用的是盲啟算法。對于螺旋槳負載，剛啟動時速度低，空氣阻力可忽略不計，螺旋槳慣性力矩占主導(dǎo)地位，只要將啟動PWM的占空比設(shè)為適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗值，就可以快速拉動螺旋槳產(chǎn)生足夠的反電動勢以供檢測。期間，檢測過零點到連續(xù)換相也就幾十到幾百毫秒的時間，幾無感覺，如同有霍爾傳感器一樣順暢。但在水中就不一樣了，水的密度遠大于空氣，阻力比慣性力矩還大，只能加大啟動PWM的占空比來加速拖動螺旋槳，這樣就可以看到傳統(tǒng)無感方波啟動算法的慢動作。這種水下應(yīng)用，要時刻保持對轉(zhuǎn)子位置的跟蹤，才能提供快速正反轉(zhuǎn)或極低速旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)機器姿態(tài)，解決方案是采用高頻注入法或加裝磁編碼器。

無感方波的換相控制，還有一種不使用反電動勢信號，而使用磁鏈信號的方法。這種方法的應(yīng)用比較少，一般做法是先對浮空相反電動勢信號進行積分得到磁鏈信號，然后比較磁鏈信號與設(shè)定閾值，決定換相時機。兩種方法的區(qū)別在于，反電動勢過零點信號與換相點信號不一致，對零度進角來說有30°偏移，也就是檢查到過零點后，要再過30°電角才能換相；而磁鏈信號與換相點信號是一致的，可以方便地調(diào)節(jié)換相進角，比使用反電動勢過零信號的方法響應(yīng)更快、更可靠，穿越機的應(yīng)用便是實證?？紤]到電機是電感元件，其電流滯后于電壓，為了實現(xiàn)高效控制以及提高輸出功率，我們需要提前施加電壓，就好像內(nèi)燃機的點火進角，點火時刻需要根據(jù)轉(zhuǎn)速實時調(diào)整。這里可以理解為提前換相，而且是所有換相點都相對于過零點一致提前。

無感FOC算法

無感FOC比無感方波更復(fù)雜一些，但論其本質(zhì)也不難。無感FOC控制算法基本上包含三部分，一是坐標系變換，二是電流調(diào)節(jié)，三是位置估計，其中以位置估計最為關(guān)鍵。

接下來，重點探討無感FOC的位置估計算法。由無感方波的基本原理可知，在六步驅(qū)動中，總有一個電機端子是浮空的，此相半橋臂的功率開關(guān)管皆截止，阻抗無限大，所以可以直接采集這個端子的反電動勢過零點作為換相依據(jù)。但無感FOC的情況完全不同，每一相的上下橋功率開關(guān)管都是使用互補PWM驅(qū)動的，端子要么為電源電壓，要么接地，沒有浮空相，因此無法檢測過零點信號。

既然無法直接檢測，那就只能研究間接方法，由此產(chǎn)生了兩類基本的位置估計算法。要提醒讀者的是，前述無感方波控制的過零點位置每60°跳躍一次，6次換相總計跳躍360°電角，而無感FOC控制需要的是連續(xù)的位置信號！

由反電動勢或磁鏈信號得到位置信息

第一類位置估計算法由反電動勢或磁鏈信號得到位置信息，是主流方法，性能良好，但很難在極低速或靜止狀態(tài)下持續(xù)跟蹤信號。優(yōu)秀的設(shè)計可以實現(xiàn)速度過零的連續(xù)跟蹤，在快速反轉(zhuǎn)的情況下也能正常工作，具體策略有三種。

第一種是間接得到反電動勢信號，思路是構(gòu)建一個電機數(shù)學(xué)模型，與真實的電機一起運行。對于同樣的電壓輸入，理論上真實電機的電流應(yīng)該和電機模型的電流一致，但實際中必然有所差別，遂用控制器加以補償。一旦電機模型和真實電機的電流相同，就認為補償結(jié)束，這時就可以對補償量濾波，得到反電動勢。進而，對兩相正交坐標系中的兩個反電動勢信號做反正切運算，解算出連續(xù)的位置信號。具體的討論和實現(xiàn)，參見MicrochipAN1078應(yīng)用筆記。

第二種也基于反電動勢信號，但與第一種不同，它根據(jù)電機穩(wěn)態(tài)運行時，平行于磁體方向（d軸方向）的反電動勢為0這個事實，通過鎖相環(huán)控制保持其始終為0。這樣就可以通過檢測d軸反電動勢是否為0來調(diào)節(jié)給定速度，進而對速度積分，即在每個控制周期對速度值進行累加得到位置信息。這個位置信息又決定了d軸反電動勢是否為0，如此構(gòu)成閉環(huán)控制。這是本書所用的策略，后續(xù)章節(jié)會詳細解釋。

第三種不使用反電動勢信號，而是使用磁鏈信號。對于磁鏈信號，共有三種解算方法，第一種方法是對兩相正交的磁鏈信號求反正切，直接得出位置。第二種方法是利用外差法通過鎖相環(huán)得到位置?；阪i相環(huán)的控制一般都比較穩(wěn)定，位置信號比較平滑，低速特性比較好，適合那種轉(zhuǎn)速不高的應(yīng)用，如滾筒洗衣機的那種直驅(qū)型外轉(zhuǎn)子無刷電機。其最大的問題是，一旦堵轉(zhuǎn)，就會出現(xiàn)失步，不適合高動態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用。第三種方法是直接估算三相靜止坐標系中的轉(zhuǎn)子磁鏈，但考慮到速度變化時很難進行相位誤差補償，用得不多。實際工程應(yīng)用以前兩種方法為主，Infineon公司最初使用的是反正切法，后期改用了鎖相環(huán)法，性能都不錯，但均不支持零速和極低速時的位置估計。

高頻注入算法

第二類位置估計算法其實就是高頻注入算法，它利用電機的d、q軸電感差異來檢測位置，最大的優(yōu)勢是支持零速跟蹤位置，結(jié)合脈沖定位的方式，可以做到完全無反轉(zhuǎn)、平滑順暢的快速啟動，在M0核、M3核上都可以實現(xiàn)。其缺點是有高頻噪聲，而且響度還比較大，盡管提高PWM頻率、隨機抖動占空比、隨機改變PWM頻率，或者提高采樣激勵頻率，可將噪聲頻率提高到聽域以外，但難免有諧波成分被人耳感知。當(dāng)然，實施高頻注入的前提是，電機制造上保證d、q軸電感存在差異，否則也無能為力。

綜合來看，TI公司的FAST估算器性能占優(yōu)，足以覆蓋絕大多數(shù)應(yīng)用，但由于使用磁鏈信號的位置估計仍然不能在零速和極低速下保持轉(zhuǎn)子位置跟蹤，也就是不能估計轉(zhuǎn)子位置，所以要結(jié)合高頻注入法進行全速域控制。

經(jīng)過多年的發(fā)展，無感控制基本算法已日漸成熟，可能最后的挑戰(zhàn)就在于電動自行車、滑板車的表貼式輪轂電機的驅(qū)動。這種電機的d、q軸電感差異極小，很難用高頻注入算法來解算位置信號，而且基于反電動勢的算法根本不適用。這種電機的產(chǎn)量巨大，如果能夠?qū)崿F(xiàn)重載零速啟動，無反轉(zhuǎn)、無抖動、平滑順暢的啟動，那將會產(chǎn)生顛覆性影響。
責(zé)任編輯：彭菁