采用无感FOC电机控制的优势及应用案例解析

【导读】无感FOC‌电机控制技术通过估算电流和反电动势来控制电机，通过其高效能、‌低成本、‌超静音以及优良的启动特性，‌对于提高电机控制系统的性能和用户体验具有重要意义，‌‌这种技术带来了多方面的优势。无感FOC控制对于水泵的优势主要体现在能够抗负载变动和适应潮湿的工作环境。‌避免了由于环境因素导致的电机传感器损坏问题，‌提高了水泵的可靠性和耐用性。无感FOC转矩平稳，能减少电动车的震动，既提高了电动车的舒适程度也有利于增长机械寿命。另外，高效的FOC驱动方式，对提高电动车的续航能力大有裨益。对于变频空调，FOC变频技术，可以将电流噪声降到最低，而且电机转矩平稳，机械噪声也大大降低，同时电机可以在很宽的转速范围内调速，避免了电机频繁启动和关闭。

采用无感FOC电机控制的优势

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（1）提高效率和成本效益

‌FOC方法支持在每个PWM周期中精确控制电机电流，‌从而可以在较低的电流下产生最佳转矩，‌这不仅可以改善电机的动态响应，‌还支持快速响应速度变化，‌如洗衣机在洗涤和甩干过程中的速度变化。‌此外，‌FOC通过控制电流的幅值和相位，‌保持定子和转子磁场之间的角度为90度，‌从而优化电机的功率管理，‌提高效率。

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（2）实现超静音工作

‌FOC算法能够精确控制驱动电流，‌使其成为光滑正弦波，‌减少转矩脉动，‌从而实现超静音工作。‌这对于需要安静运行的应用（‌如家用电器）‌尤为重要。

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（3）保证启动的可靠性和平稳性

‌FOC控制的启动特性良好，‌能够根据负载转矩的变化调整启动力矩和启动方式，‌保证启动的可靠性和平稳性。‌此外，‌启动速度快，‌比常规启动方式短50%的启动时间，‌这对于需要快速启动的应用非常有利。

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方案一：基于中微半导体BAT32A237 的FOC汽车水泵方案

中微半导体FOC汽车水泵方案基于 Arm Cortex® M0+内核BAT32A237及电机驱动CMSA6164芯片，支持常用45W-150W汽车水泵，适用汽车发动机散热水泵及电动汽车电池组散热水泵等，效率高，寿命长。

应用框图

水泵的特点是负载变动大，要求电机能抗负载变动。另外由于水泵工作在潮湿的工作环境中，电机传感器在这样的工作环境中易损坏，无感FOC控制方式无需传感器，可以避免这种情况。

方案特点

  •  主芯片BAT32A237可靠性标准参考AEC-Q100 Grade 1级别 

  •  工作电压12V/24V，单电阻、无感FOC控方式 

  •  功率范围≤150W，500~20000 rpm转速范围 

  •  空转、过欠压、过流、过温、相间短路、缺相、堵转保护等

  •  恒功率控制，转速控制，100%启动成功，运行平稳无抖动 

  •  高扬程大流量，超快保护响应，高度集成，外围器件精简，支持LN等多种通信

方案二：基于小华HC32M120的电动自行车方案

电动自行车作为一种绿色出行工具，滑板车在城市出行中越来越受欢迎。无感FOC方案的应用可以实现对电动自行车的高效控制，从而提升其运行性能和稳定性，为骑行者提供更安全、舒适的骑行体验。

该方案电驱控制板以HC32M120为主控芯片，同MOS、Gate_Drivers、LDO及其他外围电路构成。主要功能：EBS、能量回馈、HDC、霍尔修复、相序自识别、一线通、三速、GB_25KM、1:1电动助力等。

由于电动车需要载人，而且要上坡，因此对电机转矩有较高要求。FOC方案转矩平稳减少了电动车的震动，既提高了电动车的舒适程度也有利于增长机械寿命。另外，电动车的电池电量有限，高效的FOC驱动方式，无疑对提高电动车的续航能力大有裨益。

方案特点

  •  48MHz主频、2个独立OPA、高速ADC、电机专用TIMER、温度范围：-40℃~105℃

  •  丰富的基础函数库、SVPWM系统、电机专用控制库模块

  •  FOC控制系统优势（正弦电流、转矩平稳、低噪音）

  •  平地/坡道/溜坡/滑行/带载启动优势（启动转矩大、重载启动高可靠）

  •  客制化控制流程优势（丰富的模块化电机库）

  •  完善的系统保护功能（过流、过压、欠压、堵转、飞车、短路等保护）

方案三：基于小华HC32L180的空调内机主风一体方案

基于HC32L180的空调内机主风一体方案，集成空调室内主控逻辑控制、智能化连接及风机变频控制于一体，可实现精准控温、噪音小、舒适性高，实现更优异的节能水平和整机性能。相较于传统的内置驱动模块风机方案以及非一体化控制方案，整体BOM成本可做到更加自主可控，具有显著成本优势。

传统的空调使用的是异步电机，异步电机转速不可控，要想控制室内温度，只能通过不断地开关电机来实现，可以清晰地听到电机开关的声音，而且电机运行起来的噪声也比较大，不利于睡眠。FOC变频技术，可以将电流噪声降到最低，而且电机转矩平稳，机械噪声也大大降低，同时电机可以在很宽的转速范围内调速，避免了电机频繁启动和关闭。

方案特点

  •  无感FOC控制系统，电流THD小，转矩平稳，噪音低

  •  无需运算放大器采样，硬件过流保护可选芯片内部比较器或IO输入内部硬件关闭PWM功能

  •  支持使用单/双电阻分压方式进行电流采样，极大降低BOM成本

  •  支持过流保护、过欠压保护、堵转保护等软硬件保护

  •  支持主控面板、遥控器和电机控制板之间的双向通信，可快速完成方案切换及评估

  •  丰富的控制函数库，快速实现客制化应用

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