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# 無刷馬達 - BLDC
[TOC]

# 基本結構
- 與有刷馬達一樣，讓與定子接觸的磁鐵產生互斥現象，讓轉子可以轉動。
- **差別在於**：
- 有刷馬達：透過機械方式，透過電刷讓線圈產生磁場；
- 無刷馬達：透過電的方式，讓周圍的定子產生磁場，讓中間的轉子互斥而轉動。
- 無刷電機的優點：**不易損壞、不易有電火花產生與EMI現象**。
- 無刷電機的缺點：**結構複雜、需要使用驅動板帶動馬達**。
- 回授訊號：無/霍爾感測器。
- 有回授訊號就可以知道目前轉子的相對位置，讓無刷馬達更準確的轉動。

## 機械結構
- **轉子**：永久磁鐵，**定子**：線圈繞組。
- 分為內轉式與外轉式，差別在：**外轉式，轉子與定子的位置相反**。
- 由轉子與定子磁極同性互斥而產生轉距。

## 電路架構
- 由6個MOSFET組成三相式電路，利用磁場讓中間的轉子轉動。
- 每兩個組成一半橋，總共三個半橋電路。
- 運作時，每個時脈 **僅有兩個** MOSFET被閉合。
- 在快速切換的狀況下，讓轉子與定子保持在「同性相斥」的狀態。

# 無刷馬達種類
## 無刷直流馬達(BLDC Motor)
- 額定電壓：與ESC控制器的最高頻率與負載有絕對關係
- 2212-850KV Motor + 1045螺旋槳：工作電壓為**11V**
- 2212-850KV Motor + 7040螺旋槳：工作電壓為**22V**
- KV值：RPM / 工作電壓
- 與電壓**呈正比**：電壓上升，轉數則線性上升
- 與匝數**呈反比**：匝數越小，轉數則變快
- 轉矩：馬達帶動負載的機械力矩。
- 轉速：馬達每分鐘的轉速。
- 轉數越高，轉矩越低，相反亦然。
- 若電壓提高，轉速也提高，在負載不變的情況，有機率**無法帶動負載**而**燒毀馬達**。
- 最大電流：馬達能承受的最大電流。
- 最大功率：馬達能承受的最大功率。
- 可以看成該馬達的**最大力量上限**，若超過此限制，有機率讓馬達燒毀。
- 槽數：定子上矽鋼片的槽數量。
- 級數：轉子上磁鐵的數量。
- 匝數：矽鋼片上面繞的銅芯圈數。
- 內轉子馬達多用於減速使用，所需轉數較高，所以級數都會在4以內。
## 永磁同步馬達(PMS Motor)
> 想到再補

# BLDC 運作方式
- 兩個MOSEFT閉合時，會流過馬達形成迴路，透過安培右手定則，可將此迴路形成一磁場。
- 箭頭方向為S極、另一端則為N極。
- 轉子遇到同性及形成相斥，並轉動一個角度到下一位置。
- MCU切換下一個MOSFET閉合邏輯，讓定子形成另一個磁場，將轉子移至下一位置，如此循環，讓馬達轉動。

# [ESC](https://electronoobs.io/tutorial/1#)
{%youtube -ymTE-Nivzw %}

## MOSFET Driver
{%youtube DXyTHhUjxjk %}
> [name=ChatGPT]
* MOSFET的栅极(Gate)电容较大，直接由微控制器或其他低功率驱动信号驱动，可能导致开关速度慢、工作不稳定、损坏等问题
* 使用MOSFET驱动器可以提供以下优点：
* 高速开关：减小MOSFET开关时的电压和电流损耗。
* 高功率：驅動器提供高电流和高电压的驱动信号，以确保MOSFET元件能够稳定、高效地工作。
* 保护功能：例如过流保护、过热保护、欠压保护等，以保护MOSFET和其他电路不受损害。
* 兼容性：可以兼容不同类型的MOSFET元件，使得设计更加灵活。
## 電路圖

# FOC vs ESC
- 為「**帶動馬達旋轉的數學模型**」。
- FOC具有「**低轉速**」、「**馬達正反轉**」、「**低噪音**」等特性。
- FOC透過算法/感應器，得到當前馬達 **「準確」** 的位置。
- FOC可以實現馬達正反轉，同時利用能量回收，達到優良的煞車控制。
- FOC採用Sin波(正弦波)驅動馬達，相比ESC的方波噪音更小。
- FOC可透過「**電流(力矩)**」、「**速度**」、「**位置**」三種方式，以閉環控制馬達。
- ESC具有「**簡單**」、「**便宜**」、「**相容性高**」等特性。
- ESC由於只有簡單的方波控制，實現成本較FOC來說簡單許多。
- 驅動器成本方面，相較於FOC，ESC的所需材料也較為便宜。
- ESC不必特別做到為不同的馬達調整一次參數。

# FOC Pipeline
## 基本架構
- Iq：馬達力矩，通常是一個常數
- 給多少力矩，讓定子產生多大的磁場強度帶動轉子旋轉
- I-Alpha & I-Beta：逆帕克變換後的兩相電流值
- ia & ib & ic：逆克拉克變換後的三相電流值
- 3 Phase Inverter (MOS)：接收三項電流值，轉成開關訊號控制定子所屬磁場
:::warning
* 通常馬達上面會有一顆編碼器，能夠偵測當前馬達所屬之電角度。
* 之後將電角度再回授給逆帕克變換進行計算。以此能得到更精確的控制。
:::

## 克拉克(Clark)變換
- 將馬達輸出的三個相位波型做降維計算，使其變成兩個變數I-Alpha與I-Beta。
> [name=灯哥手把手教你写FOC算法 系列课程2]
[](https://www.bilibili.com/video/BV1x84y1V76u)

### 算法與矩陣
1. 將三相Ia, Ib, 與Ic的數值變成向量，並且放到座標軸作投影變成直角坐標系。
2. 把投影的結果寫成矩陣乘法，即得到克拉克變換的基本公式。

### 等幅值克拉克(Clark)變換
1. 在論文上通常比較常見的公式。
2. 讓投影出來的I-Alpha變數可以符合原先向量的ia電流。
3. 由於I-Alpha = ia，又因克西荷夫電流定律，可化簡成如下公式：
<center>
<img src="https://i.imgur.com/LYMEt5i.png" width=300 />
</center>
<br>

:::info
- 由於克西荷夫電流定律，在硬體上只需知道兩相的電流(Sensor)即可求得最後一相電流。
- 呈上，可以減少硬體設計的成本。
:::
### 逆克拉克(Clark)變換
- 將等幅值克拉克變換的公式反推，即可知道原本的三相電流，即為逆克拉克(Clark)變換。

:::spoiler 等功率克拉克(Clark)變換
<center>
<img src="https://i.imgur.com/IeUgXWI.png" />
</center>
:::

## 帕克(Park)變換
- 帕克(Park)變換是把馬達旋轉的物理狀態轉換成數學模型的算法。
- 需要知道I-Alpha與I-Beta電流規律，才能送給克拉克變換作降維。
### 算法與矩陣
1. 將I-Alpha與I-Beta的坐標系上放上一個新的Q-D坐標系。
2. 並且將I-Alpha與I-Beta坐標系作降維，得到兩個值：**Iq**與**Id**。
:::info
Alpha軸在q軸複負半軸，所以需要加一個負號。
:::
### 逆帕克(Park)變換
- 將帕克變換取逆即可得到逆變換。
- Iq與Id兩變數升維變成I-Alpha與I-Beta。


## 電流(力矩)閉環控制

### 難處
- **無感**：獲取轉子角度
- **霍爾**：低速同步角度
- **編碼器**：提高控制精度與動態性能

# 解決方案
## ADI Trinamic TMC4671
{%youtube -hhFyXe7TFc %}
- 伺服馬達控制器IC
- 磁場定向控制 FOC
- 並行處理單元
- 高更新率 (~ 100KHz)
- 過濾與數字插值
### 方塊圖
- 四個數學變換控制器
- **克拉克 & 帕克控制器**
- 解算當前馬達位置
- **反向克拉克 & 帕克控制器**
- 對應馬達輸出的相電壓
- 兩個PID控制器
- **轉矩控制**
- **磁通量控制**
- 電流感測器
- 位置反饋系統(編碼器、霍爾感測器)

# Reference
- [亲手教你转起一台无刷电机 - EEworld China](http://bbs.eeworld.com.cn/thread-1181261-1-1.html)
- [無刷馬達大小事 5分鐘就上手 - 東方馬達](https://www.orientalmotor.com.tw/om/knowledge/uroko_bl/bl02.html)
- [直流無刷馬達原理與驅動控制 - 張雯翔、張家榮、許凱翔、常文峻](http://nfuee.nfu.edu.tw/ezfiles/42/1042/attach/81/pta_26435_4137435_05284.pdf)
- [我又发现了超赞的软硬件项目，全部开源 - 面包板社区](https://mp.weixin.qq.com/s/db1xT_UNngHgE280UfIrIw?fbclid=IwAR2S4gKEkHrkj_XK-dou8nj0D63A8mj9__z3p1uaqPusMdBE1VRrPZG-W98)
- [Benjamin Vedder Github Personal Page](https://github.com/vedderb)
- [【自制FOC驱动器】深入浅出讲解FOC算法与SVPWM技术](https://zhuanlan.zhihu.com/p/147659820)
- [Arduino Simple FOC library- 深入研究](https://docs.simplefoc.com/docs_chinese/digging_deeper)
- [无刷直流电机 - 野火电机应用开发实战指南](https://doc.embedfire.com/motor/motor_tutorial/zh/latest/basis_part/brushless_DC_motor.html#id2)
- [灯哥手把手教你写FOC算法 系列课程 - Bilibili](https://space.bilibili.com/493192058/channel/collectiondetail?sid=1104775)