高效BLDC控制和FOC先进控制对比

电子发烧友网报道，从简单的电动工具、电风扇到复杂的机器人、汽车电机，许多机器设备都使用高能效的无刷直流电机BLDC将电能转换为旋转运动。在高效率、高扭矩、低噪音、长寿命、响应快速等优势的加持下，越来越多电动设备开始向BLDC转变。

虽然BLDC有着这么多优势，但实现BLDC的控制是相对较难的，比有刷电机难很多而且硬件成本也更高。

高效BLDC的复杂控制

从工作原理上来看，BLDC作为电机，其基本构造也是定子加转子，不过其定子和转子和有刷电机是相反的。BLDC的定子是通电的线圈，转子是永磁体。那么根据电磁感应原理，只要给定子上的线圈接入适当方向的电流，让产生的磁极方向与永磁体的磁极相对应，就可以旋转起来。

也就是说，控制电流的大小和方向，就能控制转子的旋转。进一步对接入电流线圈的定子进行优化，就能产生很多控制方式。BLDC的控制虽然在原理上和有刷电机相似，但实现起来却要难得多，BLDC需要复杂的控制器才能将单个直流电源转换为三相电压，而有刷电机可以直接通过调节直流电压来控制。

原理层面固然通俗易懂，但是真正实现起来，控制BLDC的难度还是不小的。

控制电流的大小和方向就能控制转子的旋转，这里有很多控制算法的应用。然后还需要知道转子的位置，对位置的测量是确定电机何时换相所需的输入。对于转子位置的感测，又区分出有传感器和无传感器的路线。

对开环控制而言，这些已经足够，但是在需要精确速度控制的场景里，加入PID闭环的控制是有必要的。对于闭环速度控制，需要对转子速度或电机电流以及PWM信号进行测量，以控制电机速度以及功率。

目前的BLDC配置，硬件层面绝大多数控制方式都以六个功率开关器件构成的电子换相电路搭配成全桥，控制和驱动组合，再加上位置反馈电路和电流采样电路。软件层面则是方波、正弦波控制算法。

低成本高性价比方波控制

方波控制里最具代表性的六步换相，在传统的电调控制里使用的非常多。所谓六步换相，本质上就是复现有刷换相的过程，只是在BLDC中没有了电刷。六步换相法每360°电周期换相6次，换相发生在两个相邻状态的切换瞬间，以此产生旋转的磁场，拉动永磁体转子随之转动实现电机的控制。

六步换相同样有无感和有感的控制方式，有感的控制很简单，配置三个位置传感器，每60°电周期会有传感器的状态发生改变，以此确定何时换相。那么无感怎么判断转子位置？用反电动势。

在这种控制配置里，位置反馈电路被反电动势过零检测电路取代。每当电机发生换向时，反电动势的电压极性发生变化，经过零值。通过识别反电动势过零点，来识别转速位置换向的过程。

这种无感的六步换相方案难度比有感高，在电机转速为零或者很低的时候，这个反电动势很难检测到。需要分多步来启动电机直到反电动势能被准确检测到才能正常切换为六步控制。此外，反电动势的检测和电机效率息息相关。

换相的时间会影响到电机效率，但检测到反电动势过零后准确到最佳电角度的时间却只能通过推断得出，而且推断算法的执行本身也需要时间。所以最佳换相时间的算法是控制里很受关注的一点。一些算法可以选择检测到过零点后立即换相，在高速的情况下这种电机的效率很高。

总的来看，方波控制很实用且简单，但确实存在比较大的转矩脉动，会有比较大的噪音。借助更先进的FOC控制，可以克服很多方波控制的缺点。

高成本高效率FOC先进控制

有感的FOC通过SVPWM合成矢量磁场，再通过传感器检测手段测量转子位置，然后对磁场进行精准控制。

目前随着电机控制性能要求的逐年提升，BLDC FOC控制算法目前已经确立了主导地位，这主要还是因为FOC能在最大程度上实现更高的效率、更低的振动、更小的噪音、更平稳的转矩控制以及更快的动态响应速度等精密控制目标，也是现在BLDC和PMSM最优的控制，目前FOC正弦波控制已在很多应用上替代了其他的控制方式。

FOC算法的本质是矩阵变换，是复杂的数学算法，而无感FOC没有了额外的传感器，进一步加大了控制难度，控制算法更为复杂。但是无感FOC也为整个电机控制带来了更为简洁的布局并降低了传感器失效的风险，而且无感FOC高频注入算法也能带来带载起动并突加负载运行的优势。

过去FOC复杂的运算需要借助DSP来实现，尤其是无感FOC。现在很多芯片厂商都开发了专用于电机控制的MCU，而且也应用自家的芯片实现了FOC电机控制的相关算法，或者是将FOC控制相关的模块使用硬件的方式集成在了芯片内部来进行控制。

FOC的核心源自闭环负反馈，因此其带宽是电机控制产品最重要的衡量指标之一。而代码执行时间决定了带宽，这也造成了目前市场上电机控制产品性能输出有差异的现象。国内不少厂商的BLDC驱控芯片已经做得很优秀。

如兆易创新针对电机驱动的GD32F407、GD32E50X系列，支持高动态性能FOC，可以满足多种实时通讯需求，支持多种无传感器算法，既能解决强算力高动态FOC的需求，也能兼顾成本敏感需求。

国民技术的N32M41x系列也能提供各种电机控制算法在内的高竞争力MCU方案，而且还针对市场需求开发了业内领先的电机参数自动识别技术和独有的电机算法保护技术，实现高效稳定的BLDC控制。

峰岹科技则从底层架构上将芯片、电机驱动架构、电机技术三者有效结合，用算法硬件化的技术路径，在芯片架构层面实现复杂的电机驱动控制算法，形成具有自主知识产权的电机驱动控制处理器内核，旗下FT8132系列表现抢眼。

中微半导体近期也针对吸尘器应用，推出了以微控制器CMS32M57xx为主控的低压无感FOC应用解决方案，采用无感FOC单电阻控制方式，配置了自收敛直接闭环启动算法适应不同负载启动，亮点突出。

RISC-V内核领域先楫半导体的HPM6700系列也很有特色，高主频给FOC运算带来了明显的提升，内外环（电流环和位置速度环）的执行时间表现很出色，能实现多电机同步、参数辨识等复杂电机控制算法与电流环的同步。

国内还有很多在BLDC控制领域做得相当出色的厂商和产品，这里不一一列举，在低速带载、带载高速、IPM零速带载、无感器正反转切等难点上国内都有不错的解决方案。

小结 

FOC算法的铺开，以其高效率优势对BLDC驱控硬件的性能要求提高了不少，成本上会高出一筹，同时还需要电机参数相匹配。不过更为复杂的FOC控制为BLDC应用带来了更高的效率和更精准的控制。在FOC已经成了各国内厂商BLDC标配的形势下，高集成度和更多的外设配置也成了BLDC控制芯片竞争的重点。

编辑：黄飞