小型DC电机磁场定向控制让无人机进入更高远的飞行航迹

无刷直流 (BLDC) 电机寿命长、采用直流电源且相对经济实惠，因此广泛应用于硬盘驱动器、冷却风扇和 DVD 播放机等电子设备的设计。通常情况下，BLDC 的速度和扭矩由 MCU 使用标量技术控制。

现在一类新型应用正悄然兴起，其中以四旋翼无人机最具代表性，这类应用正日益受到业余爱好者的青睐此外，无人机也正被监控等众多商业应用纳入考量。对这些应用而言，尤其重要的是控制器的动态响应，以及控制器在低速和无传感器的情况下平稳控制 BLDC 的能力。

对于负载动态变化的应用来说，标量技术不够精确。而磁场定向控制 (FOC) 技术能够大大提高精度，因而广泛用于驱动高端工业 AC 设备。通过实施 FOC，BLDC 能够以合理的成本为无人机和其他高性能应用（例如医疗机器人、万向系统和自主驾驶车辆）提供精确控制。

设计这类产品在过去并非易事。其中需要精通 FOC 或直接扭矩控制 (DTC) 等某些其他高级先进的电机控制技术，以及专用软件开发系统的操作知识。如果应用对成本敏感，例如可能在执法行动中使用的带监控摄像头的无人机，则设计经济实惠的 BLDC 电机也将面临挑战。

用于控制 BLDC 电机的传统标量技术被称为六步（梯形）控制。定子以六步过程驱动，会在产生的扭矩上振荡。每一对绕组会通电，直到转子到达下一位置，而此时电机将转换到下一步。对于无传感器的应用，在定子绕组中产生的反电动势通常用于确定转子的位置。

标量控制的动态响应无法处理动态负载快速变化的应用。因此，矢量控制正日益得到广泛应用，从交流电机驱动的白色家电（如洗衣机）到以电池供电的产品。

FOC 是矢量控制最常用的方法之一。其工作原理为：管理定子绕组以确保转子的永磁体所产生的磁通正交于定子的磁场。

FOC 最初是为控制三相交流电机而开发。考虑到用于小型无人机的 BLDC 电源是电压为 21 V （五节锂聚合物电池）的电池，电子元器件必须包含低压三相逆变器系统。其他主要的元器件还有电机驱动器、MCU 以及执行 FOC 算法的软件，其中软件可能是最重要的。

FOC 处理在直轴 - 交轴 (d-q) 域中完成，该域是一个旋转参照系。直轴和交轴分量是磁链状态矢量分解的两个分量，即产生磁通 (d) 和扭矩 (q) 的分量。此关系如图 1 所示。电机定子绕组内的电流处于受控状态，以确保转子的永磁体所产生的磁通正交（成 90°）于定子的磁场。除产生精确的电机控制之外，这种方式还能够提供极其精确的扭矩控制，这才是在 d-q 坐标系中操作的真正优势。