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因為具備轉矩波動小、效率高、噪音小和動態響應快等優勢，無刷直流馬達（BLDC馬達）最近幾年被廣泛應用到了包括空調壓縮機、變頻冰箱、洗衣機以及高速吸塵器、掃地機、無人機甚至電動車控制器等各種應用。

根據Allied Market Research 估計，到2030 年，全球無刷直流馬達市場將從2020 年的332 億美元增加到722 億美元。在此背後，就需要許多晶片廠商提供支持，Qorvo正是其中一個領先供應商，其極具優勢的整合式馬達控制解決方案和FOC演算法可實現更複雜的控制形式，幫助應對各種獨特挑戰。

日前，Qorvo 電機控制應用高級系統/應用工程師張紹發表了一個與BLDC 和FOC 相關的演講，科普了FOC 的相關知識，也講解了Qorvo用於簡化FOC 實施方案的方法。

FOC 是Field-Oriented Control 的簡稱，也就是磁場定向控制，但大多數情況下，大家稱之為向量控制。要了解什麼是FOC，則先從馬達驅動入手。

張紹介紹說，如下圖所示，這是一個典型的驅動系統，其直流母線電壓可以由電池供電，也可以從三相整流得到直流母線電壓。當中的功率和三相功率電路主要功能是把直流母線電壓轉換為三相交流電壓和電流，從而實現控制三相交流馬達的目的。

其中，圖左藍色框內包含了數位控制器和馬達控制相關的類比電路；圖右則包含了一個MPOS，它能夠借助類似霍爾感測器等裝置或軟體的方式展示出馬達的整體位置資訊。

下圖則展示了典型的雙環馬達控制系統，其中內環是“電流環”，外環是“速度環”。在內環「電流環」中，一些比較重要的模組有「Clark 變換」 和「Park 變換」 等數學模組、馬達電流訊號偵測模組以及能夠提供馬達的轉速和轉角位置資訊的模組。

據張紹所說，這些模組都是非常重要的。為此在接下來的演講中，他詳細介紹了各大模組的功能。

首先看數學模組之一的“Clark 變換”，其作用是把三相馬達電流Iu、Iv 和Iw 轉換成兩相的Ialpha 和Ibeta。右圖則展示了「Clark 變換」 的過程和結果。

在經過“Clark 變換” 得到了一個新的Ialpha 和Ibeta 之後，我們再使用“Park 變換”，得到了Iq 和Id ——旋轉座標下的電流訊號。更具體地說，透過“Park 變換”，我們可以把三相交流電流訊號轉換成兩相直流電流訊號，從而可以把三相交流馬達的控制變得和兩相直流馬達控制一樣簡單。

“這就是向量控制的本質”，張紹強調。 「透過這樣的變換，我們可以把一個三相交流馬達等效於一個兩軸的直流馬達來控制。」張紹接著說。

接下來，如下圖所示，我們來看看電流取樣電路。其中，最左邊的是基於三電阻的三相變換器，中間的則是PAC 控制器的差分取樣電路，最右邊則是對應的PWM 控制波形。 「為了提高向量控制的性能，我們通常建議三相電路的檢測是在同一個時刻。PAC 控制器具備ADC 取樣和維持功能。我們也支援三相差分電路，從而更好地檢測電流。」張紹說。他同時指出，為了提高電流的取樣質量，Qorvo 推薦在變換器下開關管導通的中間取樣電路，這樣可以避免控制器的開關動作對電流訊號的影響。

在某些應用場合，客戶傾向於採用單電阻的模式檢測馬達的三相電流從而降低系統成本，下圖左展現了這樣的一個應用。據張紹介紹，這種方式的另外優點就是我們只需要採用一路差分電路就可以偵測電流。同時，偵測電路的時候，也希望是在PWM 有效向量的中間來偵測電路，進而減少開關訊號對電流取樣的影響。

「在單電阻模式下，為了偵測出電流，我們必須在有效向量期間進行，在零向量的情況下，我們無法偵測馬達的電流。而為了提高電流的偵測精度，我們更是建議使用非對稱的電流方法。

關於電流偵測部分的內容，我們能從下圖看到簡潔扼要的總結。

張紹接著說，在偵測完馬達的電流訊號之後，希望回授的電流能夠追蹤其給定值。為了實現這個目的，他們通常則會使用D 軸和Q 軸的電流控制器，其中基於PI 的電流控制器得到了廣泛的使用。為了提高電流控制的效能和反應速度，PI 控制器的Kp 和Ki 參數都需要很精心的調節。

在張紹看來，這兩個參數的調節是​​非常複雜的，但Qorvo 提供「馬達參數自動診斷」 的功能，去偵測馬達的參數。從而根據馬達參數計算出「電流環」 和「速度環」 的Kp 和Ki 參數，大大簡化了馬達調節的過程。

根據張紹介紹，電路控制器的輸出是電壓的給定值（D 軸和Q 軸的參考值），然後通過反向的“Clark 變換”，得到Valpha 和Vbeta。從下圖左中，我們也可以從Valpha 和Vbeta 得到三相電流的電壓給定值，然後用作調製器輸入，從而得到“佔空比” 的輸出，進而控制三相逆變器以達到電機控制的目的。

「選擇不同的中性電壓可以形成不同的調變控制方法，從目前看來，空間向量調變在馬達控制領域被廣泛應用。這一方面得益於其能提供正弦波的電流波形，同時這種調製方法還能提供較高的電壓傳輸比，從而達到更高的馬達控制轉速。

在前面的篇幅中，張紹分別介紹了座標變換原理、電流控制器、電流取樣電路和調變器。接下來，他將介紹馬達轉子位置模組。張紹指出，如圖所示，我們可以透過HALL、Encoder（QEP）和Sensorless（Estimator）三種方式得到馬達的轉子位置和轉速，這是向量控制的核心部分。 Qorvo 的軟體解決方案同時支援HALL、QEP 和Estimator 這幾種模式。 「如圖所示，我們也同時支援類似Hall-Estimator 和QEP-Estimator 這些兩種混合模式。」 張紹強調。

在對FOC 有了基本了解以後，我們接下來深入了解其在三相無刷直流馬達中的應用。

要了解這個優勢，我們首先要對相關原理有所了解。

「根據安培定律，在繞組中註入電流會產生磁場，其強度與電流的數值相關。應用到三相馬達中，在我們向三相繞組注入三相交流電流後，在定子側會產生旋轉的磁場，其會與定子的永久磁鐵磁場相互作用，從而產生轉矩。

從下圖我們也可以看到，當繞組磁場和定子磁場處於不同的角度下，其產生的轉矩力度大小是不相同的，我們的目標是要把轉矩最大化，同時減少電機定子電流。

在對其轉矩產生的原理有了基本了解以後，我們接下來會介紹三相無刷直流馬達的控制方法，當中就包括了FOC。此外，如圖所示，六步梯形波也是實現控制的另一個方法。

從下圖，我們可以看到六步梯形波在定子側產生旋轉磁場的具體過程。 「我們通常把360 度分成六個扇區，每個扇區有固定的開關管導通，這樣就能在'定子繞組' 中形成旋轉磁場，獲得旋轉方向。如圖所示，不同向量的形成是由不同的開關管所決定的。

從下圖我們可以看到，我們可以透過選擇適合的向量，獲得更優化的轉矩。總而言之，這種六步梯形波方法不能時時刻刻把轉矩角度維持在90 度，只有在扇區中間的時候能達到這個角度，只在那個時刻才能產生最大轉矩。

透過下面這張圖，我們則能了解到「向量控制」 方式下的轉子轉矩產生原理。如圖所示，我們能夠比較簡單、且能時時刻刻地將定子磁場和繞組磁場維持在90 度，從而產生更大的轉矩，這與“六步梯形波” 的控制方式有本質上的區別。

總結而言，「向量控制」 方式具備以下多點的優勢。 Qorvo 則透過提供客戶軟硬體結合的解決方案，降低客戶開發相關產品的門檻並縮短開發週期。

張紹表示，「六步梯形波」 控制的方式較之「向量控制」 產生了更大的噪音。而這主要是由馬達繞組的電流諧波造成的轉矩波動而產生。

「在需要減少振動、降低馬達的諧波含量、降低噪音等應用場景，FOC 會是更優的選擇。」張紹說。

據張紹介紹，為了簡化FOC 應用的實施，Qorvo 提供了軟硬體結合的解決方案：

在硬體方面，除了提供基於Arm cortex-M0 和Arm cortex-M4 的PAC 控制器系列外，Qorvo 還提供了基於這些控制器而開發的測試板，客戶可以在其上運行不同的控制方法；在軟體方面，針對向量控制，Qorvo 提供了多樣化的演算法。為了簡化客戶調節控制器的參數，Qorvo 開發了馬達的參數整定功能，透過整定馬達的電阻和電感，從而得到電流控制器的參數和速度控制器的參數。

「我們還有更高階的演算法，能夠偵測到馬達的故障情況。」 張紹說。他指出，如圖所示，Qorvo 的產品也支援了不同的開發環境，方便開發者的開發。回到FOC 方面，Qorvo 則提供了各種各樣的功能，以滿足不同場合的需求。 「我們還提供了使用者介面，以方便客戶調試其馬達。」 張紹在演講中強調。

為了運行一些向量控制軟體，如下圖所示，我們需要對基於Qorvo 的硬體進行基礎搭建，客戶可以根據其需求選擇合適PAC 調試板進行配置。

張紹總結說，如下圖所示，Qorvo 的FOC Firmware 支援多樣化的功能。

同時，Qorvo 也提供了友善的使用者介面，整合了多個模組，簡化客戶的產品開發。

為了方便客戶調試電機，優化電機參數，Qorvo 也為客戶提供了不同的調試功能。

「前面談到的向量控制功能，都可以在編譯的過程之前啟動或不使用，具體的使用功能可以參考Qorvo 提供的手冊。」張紹說。

張紹表示，在公司的網站上，Qorvo 為客戶提供了詳細的資料和相關支持，歡迎客戶造訪並諮詢。

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