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大疆、小牛电动加码无感FOC电机市场 Turnkey方案填补技术空白

2018-01-08 17:34:58     来源:微电机世界网     作者:魏倩    

【大比特导读】大量的电机控制应用一直在持续不断地寻求提高效率同时降低系统成本的方法,FOC(Field-Oriented Control,磁场定向控制)因此在运动控制行业备受瞩目,如今已在诸多应用场合逐步替代传统的控制方式。目前,FOC技术已完美匹配BLDC电机,随着MCU国产化进程加快,无感FOC将逐渐普及开,Turnkey方案将会是关键。

大量的电机控制应用一直在持续不断地寻求提高效率同时降低系统成本的方法,FOC(Field-Oriented Control,磁场定向控制)因此在运动控制行业备受瞩目,如今已在诸多应用场合逐步替代传统的控制方式。目前,FOC技术已完美匹配BLDC电机,随着MCU国产化进程加快,无感FOC将逐渐普及开,Turnkey方案将会是关键。

电机控制

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FOC完美匹配BLDC

众所周知,无刷电机替代传统的有刷电机是大势所趋,特别是在微处理器性能提升与成本下降的基础上与国家政策倾向,更多的应用即将转入到无刷领域实现产品升级更新。

而目前市场主流的无刷直流电机的控制方式有3种:FOC、方波控制(也称为梯形波控制、120°控制、6步换向控制)和正弦波控制,三种控制方式各有优势。

FOC也称矢量变频,它可以精确地控制磁场大小与方向,使电机转矩平稳、噪声小、效率高,并且具有高速的动态响应,所以近年来FOC在中低成本、无刷电机应用中广受市场欢迎。目前FOC已在很多应用上逐步替代传统的控制方式,在运动控制行业中备受青睐。

多企加码FOC电机 市场渗透加速

尽管FOC可以完美匹配无刷电机,但 BLDC 电机的麻烦之处在于系统需要更复杂的电子设备来管理电机。

一直以来,电机控制都不是电子工程师的重点领域,许多开发人员因缺乏经验或专业知识而无法轻松设计出必要的控制电路。所以BLDC 电机的研发需要额外的时间和技术支持,而这意味着需要更长的开发周期及更高的系统成本,这也是使系统制造商更难以从熟悉的 AC 电机过渡到 BLDC 电机的主要原因。

比如在电动车应用领域,虽说传统的控制器生产厂家已经意识到市场发展的方向,但原有的技术班底尚无能力吃透FOC软件核心算法,所以在相对较低端的2轮车、3轮车(包括助力车、老年代步车等)等领域难以见到较为成功的产品推广,而在高端电动4轮车(电动轿车、电动观光车)市场,见到更多的是国外的优秀产品和国内厂家的粗制滥造的控制总成。

一些主流的芯片企业已经将无感FOC应用到汽车领域。北京英飞凌集成电路有限公司总经理钱伟喆说:“汽车应用的安全要求甚高,而无传感器FOC控制方式可以用来和RDC IC结果进行交叉检验,并可作为故障安全策略使用,以防RDC IC发生故障。”

不过,尽管电控长久以来都是中国电子工程师的软肋,但中国企业并不因控制技术难点而沉浸在传统AC电机研发中,近年来关于FOC电机研制在不断推进,空调、无人机、机器人、医疗设备、数控机床等多领域都广泛运用到POC技术,FOC电机市场渗透率逐年增涨。

据微电机世界网记者了解,目前的FOC控制技术在工业领域应用的相对成熟,常见到的产品有伺服控制器、矢量变频器等;民用领域普及相对滞后,但随着变频风潮掀起,FOC也大行其道,比如近10年发展起来的变频空调、出口欧美的高端变频风扇等。

威灵电机工程师表示说:“变频市场份额在不断上涨,电器变频的功能主要通过直流变频电机来实现,Welling空调无刷直流电机采用FOC正弦波空间矢量控制系统,改善低速电流波形,优化电机噪音振动。”

在电动车领域小有名气的小牛电动车,在2017年4月实现销量逆势增长85%,其中小牛U1 Pro更是采用了自主研发的FOC矢量控制器,它通过与电机的调配,精准调节动力输出,达到“10%转把行程≈10%输出扭力”的流畅操控,使得无刷永磁电机达到的90%以上的高转化效率。

在无人机领域,大疆的 Mavic Pro 铂金版搭载了全新 FOC 正弦波驱动架构电调,大疆工程师表示:“FOC使电机换向过渡更加平滑,有效降低了电磁噪声的同时,提升了电机电调的总效率。”

YUNEEC 首席产品官(CPO)张昭智也表示,在小型商用无人机领域,FOC 正弦波驱动可以使工作效率更高,并可有效降低电力损耗。

亿航184表示,该公司的电机驱动器设计经历3次迭代,第一代采用方波电调;目前正在使用的第二代电机驱动器采用的是无感FOC方案,整体可靠性和驱动性能明显提高,可检测电机运行状况,在空中不会出现因信号失调导致的停转,可以让飞机的运行更加平稳。

除了以上领域,FOC电机在云台技术领域同样吃香,O₂运动相机是红狐狸团队在云台技术探索上的又一力作,其团队自主研发的FOC云台驱动技术,也是国内手持陀螺仪云台技术中控制精度、抗干扰性及效率极高的技术。

无感FOC逐渐普及 Turnkey方案是关键

按照电机有无传感器(一般为编码器)来区分,FOC控制可以分为有感FOC和无感FOC。

前者通过传感器反馈电机转子的位置信息,控制相对简单,但对控制性能要求较高。后者由于电机不带任何传感器,所以在控制中需要通过采集电机相电流,使用位置估算算法来计算转子位置,所以控制难度较大,但是它可以避免传感器故障的风险,并且省去了传感器的成本,同时简化了电机与驱动板间的布线。

某企业工程师对记者说:无器FOC电机技术虽可带来许多系统优势,但至今没有得到推广,是因为许多行业都因缺乏电机控制系统知识而不得不延迟采用和推广这些技术。

但华大半导体MCU市场部部门经理梁少峰却认为:“未来传统的方波控制、交流比例控制会慢慢退出市场,无感FOC会逐渐普及。”

而据微电机世界网记者了解,早在很多年前就有行业企业在做无刷无感FOC方案,但是由于硬件资源与成本压力,因此未在无刷电机FOC应用掀起一波技术流。此外,实现无传感器 FOC 需要复杂的数学算法,这对于普通设计人员来说可能并不熟悉,所以在过去,设计师们通常依赖于复杂的数字讯号处理 (DSP) 芯片来实现无传感器 FOC。

从小牛电动、大疆等企业的例子可以看到,一些较为领先的企业都比较认可FOC方案,然而他们却需要花大量的研发精力去“自主研发”。

对此,梁少峰认为:“工业领域的应用比较杂散,因此很少有Turn-key服务。”

软件算法和控制器成本是阻碍无感FOC方案流行开来的关键,但现在情况正在改变。硬件方面,随着ARM内核的MCU问世,基于高性能32位内核运行在处理FOC算法提供了硬件保证,并且价格与8位机相当,FOC电机将逐渐在多领域普及开来。而随着近些年MCU国产化步伐加快,硬件价格将会更低。

软件方面,愈来愈多的MCU企业意识软件算法是电机控制的灵魂,因此加大在软件算法方面的投入

比如,华大半导体则希望以终端解决方案供应商角色为国内中小型企业提供享受Turn-key服务,这种服务能够让他们的产品设计和开发更为简单迅捷。“把基础问题和平台性问题交给我们,那么客户就能够专注于解决他们客户的问题。”梁少峰表示。

最近无感FOC电机方案也层出不穷。华大半导体推出了32位电机控制MCU集成了高效、精准、平稳的无霍尔电机FOC控制方案。这个方案不但集成了无刷直流电机BLDC与永磁同步电机PMSM控制所需的三相六路专用PWM信号发生器,还集成了完备的电机控制信号链模拟电路单元,包括高速比较器VC、运算放大器OPA、模拟数字转换器ADC。

鑫开源推出了新一代无感FOC负压风扇驱动器,该驱动器采用FOC驱动,与原有的电容异步电机相比,节能效果达20%以上,并且调速方便,克服了原来电容异步电机不方便调速的缺点,在不需要大风量的环境,节能效果更好。

FOC电机的发展速度越来越快,为了让大家更深入了解它,小编特地整理几份FOC电机相关资料,供大家参考,关注【微电机世界网】后台回复“FOC电机”即可获取。

附:主流的无刷直流电机的控制方式对比

目前市场主流的无刷直流电机的控制方式有3种:FOC、方波控制(也称为梯形波控制、120°控制、6步换向控制)和正弦波控制,三种控制方式各有优势。

方波控制方式的优点是控制算法简单、硬件成本较低,使用性能普通的控制器便能获得较高的电机转速。而缺点是转矩波动大、存在一定的电流噪声、效率达不到最大值,所以方波控制适用于对电机转动性能要求不高的场合。

正弦波控制实现了电压矢量的控制,间接实现了电流大小的控制,但是无法控制电流的方向。FOC控制方式可以认为是正弦波控制的升级版本,实现了电流矢量的控制,也即实现了电机定子磁场的矢量控制。

FOC控制按照电机有无传感器(一般为编码器)来区分可以分为有感FOC和无感FOC,前者通过传感器反馈电机转子的位置信息,控制相对简单,但对控制性能要求较高。后者由于电机不带任何传感器,所以在控制中需要通过采集电机相电流,使用位置估算算法来计算转子位置,所以控制难度较大,但是它可以避免传感器故障的风险,并且省去了传感器的成本,同时简化了电机与驱动板间的布线。

大量的电机控制应用一直在持续不断地寻求提高效率同时降低系统成本的方法,这是两个推动改进现有电机控制技术的主要因素,所以在中、低成本应用中,效率是使得FOC 比标量和梯形控制方法更受欢迎的另一个原因。

微电机

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