無(wú)人機(jī)電子速度控制器的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

無(wú)人機(jī)的擴(kuò)散不斷增長(zhǎng)，其應(yīng)用范圍廣泛，從業(yè)余愛(ài)好到商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，再到最先進(jìn)的軍事應(yīng)用。無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能夠遠(yuǎn)程操作，因此可以飛越難以親近，危險(xiǎn)或不便的區(qū)域。在商業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是多種多樣的：農(nóng)業(yè)，植物和建筑物的監(jiān)控，射擊區(qū)域，甚至是包裝，藥品或必需品的交付。在未來(lái)幾年中，很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)人駕駛飛機(jī)的新用途和進(jìn)一步用途，屆時(shí)它們將不再被視為玩具或小工具，而是被視為改善我們生活質(zhì)量的寶貴工具。

電子速度控制

本文重點(diǎn)介紹通常配備無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的中型和高級(jí)無(wú)人機(jī)。這類(lèi)電動(dòng)機(jī)需要仔細(xì)連續(xù)地調(diào)節(jié)速度和相對(duì)旋轉(zhuǎn)方向。在某些情況下，還需要實(shí)現(xiàn)真正的動(dòng)態(tài)制動(dòng)。負(fù)責(zé)這些功能的電路是ESC（電子速度控制器），通常由電源級(jí)，用于檢測(cè)電流的電路，微控制器和與飛行控制器的通信接口組成（圖1）。ESC的設(shè)計(jì)涉及以下一系列重要功能：

• 用于電機(jī)控制的拓?fù)洌?/li>
• 在成本和效率之間折衷（因此需要時(shí)間）；
• 無(wú)人機(jī)上安裝的電池類(lèi)型；
• 所需的性能（例如，最大可控電動(dòng)機(jī)速度）；
• 電磁兼容性（EMC）和抗干擾性。

圖1：無(wú)人駕駛飛機(jī)的方框圖

有兩種適用于無(wú)人機(jī)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)：DC無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）和AC無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BLAC），也稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）。使用哪種類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)通常取決于所選的控制算法：梯形或磁場(chǎng)定向控制（FOC）。更準(zhǔn)確地說(shuō)，梯形電動(dòng)機(jī)控制算法具有以下特征：

• 基于六步換向序列的電機(jī)控制；
• 檢測(cè)轉(zhuǎn)子的磁角，以正確的角度進(jìn)行換向（每個(gè)步驟對(duì)應(yīng)于60度角）；
• 在沒(méi)有傳感器的情況下，換向角通過(guò)測(cè)量相電壓反電動(dòng)勢(shì)來(lái)估算。

相反，F(xiàn)OC控制算法具有以下功能：

• 通過(guò)正弦相電壓或電流（FOC）控制電機(jī)；
• 以1至5度之間的最小精度檢測(cè)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)角，以始終確保最大轉(zhuǎn)矩；
• 在沒(méi)有傳感器的情況下，轉(zhuǎn)子磁角是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的相電壓和電流估算的。

與基于機(jī)械速度傳感器的替代方案相比，無(wú)傳感器控制系統(tǒng)通常更為可取，因?yàn)樗梢员３州^低的項(xiàng)目成本并有助于提高系統(tǒng)的魯棒性。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

用于在不同功率級(jí)之間進(jìn)行換向的PWM信號(hào)根據(jù)所選控制的類(lèi)型而變化。圖2顯示了去除PWM載波后獲得的濾波后的相電壓，涉及梯形和正弦電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的情況。

圖2：用于梯形和正弦換向的波形比較

由于每個(gè)相之間的突然變化，梯形控制會(huì)受到問(wèn)題（問(wèn)題）的影響，這會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和電流尖峰，從而降低效率并產(chǎn)生振動(dòng)。在電級(jí)別，ESC的DC總線電壓在7.4V和22.4V之間，而鋰聚合物電池（LiPo）的電流在10A和20A之間。為了將干擾降到最低，用于相之間換相的PWM頻率在30kHz至60kHz之間。一旦選擇了控制算法，就必須決定是在開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)中進(jìn)行控制。

圖3：具有無(wú)傳感器控制的無(wú)刷電機(jī)的ESC

閉環(huán)控制是優(yōu)選的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)測(cè)量使電動(dòng)機(jī)執(zhí)行期望的位移所需的電流，相對(duì)于開(kāi)環(huán)解決方案可以獲得更高的效率和精度。在梯形控制的情況下，僅必須測(cè)量一個(gè)并聯(lián)電流，而在正弦控制的情況下，必須測(cè)量多達(dá)三個(gè)并聯(lián)電流（圖3）。使用閉環(huán)控制時(shí)，必須對(duì)算法進(jìn)行調(diào)整，以使電動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下（即超過(guò)12kRPM）保持穩(wěn)定。

商用無(wú)人機(jī)解決方案

用于無(wú)人機(jī)的ESC設(shè)計(jì)需要高級(jí)組件，這些組件專門(mén)設(shè)計(jì)用于以最大速度驅(qū)動(dòng)高速電動(dòng)機(jī)。德州儀器（TI）開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為InstaSPIN的MCU系列，這使三相電機(jī)控制應(yīng)用的設(shè)計(jì)更加容易。適用于無(wú)傳感器系統(tǒng)的InstaSPIN-FOC具有快速軟件編碼器，可對(duì)任何三相電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩和速度控制。取而代之的是將InstaSPIN-MOTION用于傳感器系統(tǒng)，并為任何三相電動(dòng)機(jī)提供位置，速度和轉(zhuǎn)矩控制。除MCU之外，TI還提供其他適用于ESC設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，例如NexFET系列功率MOSFET和帶有三個(gè)集成式電流分流放大器的DRV8305三相柵極驅(qū)動(dòng)器。

InstaSPIN隨附高壓電機(jī)控制套件，這是用于學(xué)習(xí)和試驗(yàn)高壓電機(jī)數(shù)字控制的完整參考設(shè)計(jì)。該平臺(tái)基于革命性的InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION電機(jī)控制技術(shù)，包含TI C2000 InstaSPIN 32位微控制器（圖4）。它使開(kāi)發(fā)人員可以快速識(shí)別，自動(dòng)調(diào)整和控制三相電動(dòng)機(jī)，從而快速提供穩(wěn)定且功能強(qiáng)大的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。該套件是出色的全方位電機(jī)逆變器設(shè)計(jì)工具，展示了對(duì)最常見(jiàn)類(lèi)型的高壓三相電機(jī)（包括交流感應(yīng)（ACI），無(wú)刷直流（BLDC）和永磁體）的無(wú)傳感器和基于編碼器的控制同步電動(dòng)機(jī)（PMSM和IPM）。

意法半導(dǎo)體還為電子速度控制器（ESC）提供了完整的參考設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)傳感器FOC算法。適用于電子速度控制器的STEVAL-ESC001V1參考設(shè)計(jì)適用于入門(mén)級(jí)商用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)，并驅(qū)動(dòng)由6S LiPo電池組或任何等效的直流電源供電的任何三相無(wú)刷（或PMSM）電動(dòng)機(jī)，峰值電流高達(dá)30 A 。該STEVAL-ESC001V1借助完整的預(yù)配置固件包（STSW-ESC001V1），設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器的磁場(chǎng)定向控制算法，該算法具有3分流電流讀取，速度控制和完全主動(dòng)制動(dòng)功能，從而使設(shè)計(jì)人員能夠快速開(kāi)發(fā)其應(yīng)用程序。參考設(shè)計(jì)板可以通過(guò)PWM信號(hào)接受來(lái)自飛行控制器的命令，但也可以使用其他通信接口，例如UART，CAN和I2C。

圖4：DRV8305的簡(jiǎn)化電路

該參考文獻(xiàn)包括工作在5V電壓的電池消除器電路，用于溫度測(cè)量的NTC傳感器以及用于過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)（OCP / OVP）的電路。小巧的外形和電流能力使該參考設(shè)計(jì)適用于小型輕型無(wú)人機(jī)（如專業(yè)無(wú)人機(jī)）上的電子速度控制器。STSW-ESC001V1固件/軟件包以及STM32 PMSM FOC軟件開(kāi)發(fā)套件– MC庫(kù)可通過(guò)作用于STM32 MCU中嵌入的磁場(chǎng)定向控制參數(shù)來(lái)優(yōu)化電子速度控制器設(shè)計(jì)，并利用ST電動(dòng)機(jī)輪廓儀來(lái)檢索相關(guān)電動(dòng)機(jī)參數(shù)迅速。ST無(wú)傳感器FOC算法適合任何三相BLDC或PMSM電機(jī)應(yīng)用，從而確保更長(zhǎng)的飛行時(shí)間和最佳的動(dòng)態(tài)性能。

結(jié)論

無(wú)人機(jī)電子速度控制器對(duì)于在中小型商業(yè)無(wú)人機(jī)中提供電動(dòng)機(jī)速度控制至關(guān)重要。使用最廣泛的解決方案之一是基于用于控制三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的無(wú)傳感器FOC技術(shù)。對(duì)于具有更高精度和更好速度控制器的傳感解決方案，無(wú)傳感器解決方案具有成本低，重量輕的優(yōu)點(diǎn)，這是任何中小型無(wú)人機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

編輯：hfy