# Brushless Motor FOC Explained

通过三相电流让磁场平稳转动、转子跟随的过程，演示无刷电机如何用FOC磁场定向控制做到顺滑、安静、省电。

By curious\-moon\-0eafeb1c

Topic: Machines

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## Transcript

### 1. 一台会追着磁场转的电机

这是一台无刷电机的教学模型，正在安静地转动。外圈的铜线圈固定不动，中间的磁铁转子在转。FOC，也就是磁场定向控制，是让它转得又顺又省电的聪明办法。拖动画面，可以从各个角度看它。

真实的无人机电机常有12个线圈和14块磁铁；这里简化成6个线圈和一对磁极，方便看清。

### 2. 线圈通电，变成电磁铁

电流流过铜线圈，会让线圈里的铁齿变成磁铁。按下按钮给A相线圈通电：蓝色铁齿会吸引转子红色的N极。转子一旦正对着它，侧向的拉力就消失了，转子便停下来。

颜色约定：红色是N极，蓝色是S极，金色箭头是所有线圈合起来的磁场方向。

### 3. 三相电流，让磁场转起来

六个线圈分成A、B、C三组，叫做三相。三组电流像波浪一样轮流起伏，彼此错开三分之一个周期。它们合起来的磁场，也就是金色箭头，会平稳地转圈，转子就跟着它跑。

左边示波器上是三相电流：琥珀色是A，青色是B，紫色是C。

### 4. 领先90度，推力最大

磁场比转子领先多少角度，决定了推力有多大。正对着时没有推力，领先90度时推力最大，就像在最合适的时机推秋千。拖动滑块改变这个角度，看看绿色箭头和转速怎么变化。

绿色箭头是磁场里真正推动转子转动的那一部分，工程师叫它q轴电流。

### 5. 先要知道转子在哪儿

要让磁场一直领先90度，控制器必须时刻知道转子的角度。转轴后面的码盘和传感器就负责报告这个位置。没有准确的位置，磁场就可能推错方向，电机会失步甚至停转。

也有不用传感器的FOC：它根据线圈里的电压和电流，推算出转子的位置。

### 6. 坐到转子上看一看

从外面看，三相电流一直在起伏，很难直接控制。FOC用两步数学换算，换成跟着转子一起转的视角。打开开关坐到转子上：金色箭头停住了，示波器上的波浪也变成两条平稳的直线。

两条直线里，d代表沿着磁铁方向的电流，通常控制为0；q代表产生推力的电流。

### 7. 每秒上万次的小循环

测电流、读角度、换算、比较、再调整开关，这个循环每秒要重复上万次。这样控制器只需要管好一个数：q电流。推高油门，q电流变大，电机就转得更有力、更快。

右边电路板上的六个开关管，把电池的直流电切换成三相电流送进线圈。

### 8. 和老办法比一比

更简单的六步换向，让磁场每次跳60度，推力一抖一抖，电机还会嗡嗡响。FOC让磁场平滑地转，推力稳定，更安静，也通常更省电。切换两种方式，比较示波器里的波形和箭头的动作。

### 9. 身边到处都有它

无人机、电动自行车、扫地机器人和电动汽车里，很多无刷电机都用FOC来控制。下次听到电机安静又顺滑地加速，你就知道：控制器正在一刻不停地让磁场领先转子90度。

一个巴掌大的无人机电机只有约48克，却能帮螺旋桨拉起一公斤多的推力。