小型 DC 馬達的磁場導向控制讓無人機的發展一飛沖天

無刷直流 (BLDC) 馬達廣泛運用在電子設備設計（如磁碟、冷卻風扇和 DVD 播放機）之中，這是由於其具備長壽命、直流電運作，以及相對便宜的特點。 BLDC 的速度和轉矩通常是由 MCU 採用標量技術來控制。  

有一種新型應用正異軍突起，以四軸飛行器無人機最具代表性，如今在業餘愛好者之間越來越受歡迎。 許多商業應用也逐漸考量採用無人機，例如監視。 對這些應用來說，特別重視控制器的動態回應，以及在低速時不靠感測器還能穩定控制 BLDC 的能力。

對於負載動態變化的應用來說，標量技術還不夠精確。 透過使用磁場導向控制 (FOC) 技術，精確度便能大幅提升，而此技術已普遍用於驅動高階的工業 AC 設備。 藉由實作 FOC，BLDC 便能夠以合理的成本精確控制無人機以及其他高效能應用，例如醫療機器人、Gimbal 系統和自主車輛等。

在過去，要設計此類產品並不容易。 設計過程中需要瞭解 FOC 或一些其他高階、複雜的馬達控制技巧，如直接轉矩控制 (DTC)，以及專用軟體開發系統的操作知識。 當應用（如執法部門使用配備監視攝影機的無人機）也重視成本時，讓馬達保持價格實惠卻又具備特色，也是一項挑戰。

磁場導向控制 (FOC)

用於控制 BLDC 馬達的傳統標量技術，稱為六步驟（或梯形）控制。 定子以六步驟過程驅動，會在產生的轉矩上振盪。 每對繞組都會通電，直到轉子達到下一個位置為止，此時馬達會換向至下一個步驟。 對於無感測器的應用，常用定子繞組所產生的逆向電動勢來判定轉子位置。

標量控制的動態回應無法處理具有快速變化動態負載的應用。 因此，越來越多應用採用向量控制，從 AC 馬達驅動的白色家電（例如洗衣機）到電池供電式產品。

FOC 是最常用來進行向量控制的方法之一。 該方法係透過管理定子繞組，讓轉子的永久磁鐵所產生的通量與定子的磁場保持正交。

FOC 最初開發的目的是為了控制三相 AC 馬達。 考慮到用於小型無人機之 BLDC 的電源為 21 V（5 芯鋰聚合物）的電池，電子元件必須含有一個低電壓三相逆變器系統。 其他主要的元件包括馬達驅動器、MCU 和執行 FOC 演算法的軟體，而此軟體可能是最重要的。

FOC 的處理是在直軸-交軸 (d-q) 域中執行，該域是旋轉的參考座標系。 直軸和交軸分量是將磁鏈狀態向量分解成兩個分量：分別為產生通量 (d) 和轉矩 (q) 的分量。 該關係如圖 1 所示。  馬達定子繞組中的電流會受到控制，如此就能讓轉子的永久磁鐵所產生的通量與定子磁場保持正交（成 90°）。 除了產生精確的馬達控制之外，這項做法還能提供非常精確的轉矩控制，這在 d-q 參考座標系中能提供真正的操作優勢。

圖 1：直軸-交軸 (d-q) 力分量。

FOC 需要三個域轉換：(1) 定子中測得的相位電流會從三相靜態參考座標轉換成雙相靜態參考座標（α、β）；(2) 雙相靜態參考座標轉換成與轉子磁通量對齊的旋轉雙相參考座標系 (d-q)；和 (3) 為了實際驅動馬達，d-q 分量會反向轉換成定子參考座標，並用於空間向量脈寬調變 (SVPWM)。 此流程如圖 2 所示。

圖 2：FOC 控制所需的域轉換。

需要詳細的轉子位置資訊，以便讓 d-q 參考座標與轉子對齊。 有多種轉子位置估計方法可供選用，從相對簡單的逆向電動勢零交叉偵測，到複雜的滑動模式觀測器，以致於擴充的 Kalman 濾波器等。

驅動馬達

從靜態三相參考座標轉換到雙相 d-q 參考座標，會產生前面提到的直軸和交軸分量。 直軸 (d) 分量不會提供有用的轉矩，事實上往往會增加馬達軸承的磨損。 因此，盡量縮小此分量是努力的目標之一。 交軸 (q) 分量會產生實際的馬達轉矩，且是由應用來決定。

d-q 分量會施加至兩個 PI（比例 - 積分）控制器，並且分別參照至零和應用轉矩設定，以產生向量輸出。 兩個 PI 控制器的輸出，就是所需定子電壓空間向量的新直軸和交軸電壓分量。 如前所述，最後一個步驟是將 d-q 分量反向轉換成定子參考座標，以實際驅動馬達。

此流程僅是 FOC 操作的概略說明。 實作時需要許多相當複雜的中間步驟，這些步驟不在本文討論的範圍內。 如需瞭解與小型無人機直接相關的更完整 FOC 探討，您可以參閱澳洲中央昆士蘭大學的 Patrick Fisher 所發表的論文「High Performance Motor Control」（高效能馬達控制）。¹

其中所需的中間步驟包含：

• 決定馬達的特性（除了極數和電壓與電流額定值之外，BLDC 馬達很少提供其他銘牌資訊）。
• 轉子位置估計（實作 FOC 控制時的關鍵資訊）
• 設計適當的電力控制方案
• 設計轉矩和速度控制器

要從頭開始設計一個功能完整的 FOC 馬達控制系統，是令人望之卻步的工作，因此 Texas Instruments、Atmel 和 NXP Semiconductors 等半導體公司都打造了開發工具，能省去設計中絕大多數複雜的步驟，讓 FOC 的實作更簡便。 一般來說，IC 廠商也會選擇將開發工具使用的軟體程式庫儲存在 ROM 中，並僅在特定 MCU 中提供，藉此保護其智慧財產。

例如，Texas Instruments 就已在其 C2000 Piccolo 32 位元 MCU 系列的三種型號中提供 InstaSPIN-FOC 解決方案，包括 F2806x、F2805x 和 F2802x。 若是對成本極為敏感的小型無人機應用，最適合的 MCU 是 F2802x MCU 系列產品，其中最受歡迎的是 TMS320F28027FPTT。

如前所述，精確的馬達控制仰賴於精確馬達模型的建立。 InstaSPIN-FOC 包含稱為「觀測者」的專屬軟體演算法，可估計轉子磁通量、角度、速度和轉矩 (FAST)。  InstaSPIN-FOC 還提供馬達參數識別，以便在開發過程中離線擷取必要的效能參數，並在運作期間線上追蹤參數。

馬達參數資訊會用來調整電流控制頻寬。 與其他技術不同之處在於，TI 的 FAST「觀測者」可完全自行調整，無需再進行任何調整，就可正確運作。 TI 宣稱這是市面上唯一一款可靠且「即時」的無感測器 FOC 運作解決方案。

因此，設計人員開始進行開發後，僅需數分鐘，便可擁有已經過完整調整的無感測器觀測器，以及穩定的 FOC 轉矩控制系統。 在螺旋槳控制等應用中，設計人員僅存的唯一任務就是對單一 PI 速度控制迴路進行測試與調整，以獲得期望的效能和運作。

簡化版的基本驅動系統如圖 3 所示。 速度 PI 控制器的輸出會連接至 PI 電流控制器，作為其輸入參考訊號。 如果速度過低，馬達的電流就會增加，以產生更多的轉矩來加速。 相反地，如果馬達速度太快，馬達的轉矩會減小以使馬達減速。 這兩個 PI 控制器會一起組成串接的控制迴路，這代表控制系統是由包含一個或多個內部迴路的外部迴路所組成。 （圖中的變數 Kd、Kd、Ka 和 Kb 是由馬達控制軟體所產生的係數）。

圖 3：速度控制器與電流控制器串接。 （資料來源：Texas Instruments）

重要元件

除了 MCU 之外，還有一些其他的重要元件也值得一提。 三相驅動器和逆變器系統是必要的。 小轉矩的無人機等低電流應用，可使用 TI DRV83x2 系列的整合式三相馬達驅動器（例如 DRV8332DKDR）。 DRV83x2 系列含有先進的保護電路，在設計上能促進系統整合度和使用簡便性，並且避免裝置因短路、過電流、過熱和欠壓等故障情況而發生永久性故障。

用於商業應用的較高電流系統，需要獨立的預驅動器，例如 DRV8301DCAR 和具有三相逆變器組態的個別 FET。 TI 的 CSD18533Q5A NexFET Power MOSFET 就是一個例子。

軟體開發對於 FOC 式馬達控制應用的成功至關重要。 TI 已在 BoosterPack BOOSTXL-DRV8301 中開發了包含馬達驅動開發軟體的套件。 該套件通常是 6 至 24 V 電壓以及最高 10 A 連續電流運作條件的最佳選擇。 這種情況需要控制板，例如採用 InstaSPIN-FOC 技術的 C2000 Piccolo TMS320F28027F LaunchPad：LAUNCHXL-F28027F。 對於連續電流小於 3.5 A 的馬達，DRV8312-69M-KIT 通常是最佳選擇。

與其他廠商相比，TI 的產品系列更適合用於低電壓、低轉矩應用，但不少廠商也提供馬達控制開發套件。 NXP Semiconductors 也針對 BLDC 提供馬達控制開發套件。 OM13068 LPC1549 LPCXpresso 馬達控制套件可搭配該公司的 LPC1549JBD48QL MCU 一起使用。 此平台可用來控制 BLDC、BLAC、步進馬達以及雙刷 DC 馬達。

就效能層面而言，使用這些元件的設計可媲美市售小型 BLDC 馬達的馬達控制器。 自訂 FOC 控制器和市售控制器（例如 Plush 40）之間最大的差異，在於極低速度下的換向能力。 FOC 控制器能夠以 100 RPM 左右的速度控制全部四個馬達。 此外，利用 InstaSPIN 的速度迴路，馬達能在這樣的低轉速下產生顯著的轉矩。

自訂 FOC 板還可達到比市售控制器更快的馬達極速。 平均來說，在將馬達從零加速到全速時，自訂的 FOC 控制器所需的時間縮短了 35％。 此外，每個馬達在 FOC 控制下的空轉速度比任何市售控制器測試到的速度都更快。¹

結論

新型馬達控制應用正在崛起，需要能達到優異動態回應的小型 BLDC 馬達。 這些應用包括醫療機器人、Gimbal 系統、自主車輛和小型無人機。 儘管 FOC 馬達控制技術已經在交流電工業用馬達和白色家電用馬達中使用了幾十年，但尚未應用於電池組供電的小型馬達上，因為這類技術非常複雜，需要高效能的 MCU。 然而，過去幾年間出現了讓這項技術得以實現的新產品。

若要進一步瞭解此文章所述之零件，請使用本文所提供的連結進入 DigiKey 網站的產品頁面。

1. 澳洲中央昆士蘭大學 Patrick Fisher 的論文：「High Performance Motor Control」（高效能馬達控制）。