小型 DC 電機(jī)磁場定向控制讓無人機(jī)進(jìn)入更高遠(yuǎn)的飛行航跡

無刷直流 (BLDC) 電機(jī)壽命長、采用直流電源且相對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此廣泛應(yīng)用于硬盤驅(qū)動(dòng)器、冷卻風(fēng)扇和 DVD 播放機(jī)等電子設(shè)備的設(shè)計(jì)。通常情況下，BLDC 的速度和扭矩由 MCU 使用標(biāo)量技術(shù)控制。

現(xiàn)在一類新型應(yīng)用正悄然興起，其中以四旋翼無人機(jī)最具代表性，這類應(yīng)用正日益受到業(yè)余愛好者的青睞此外，無人機(jī)也正被監(jiān)控等眾多商業(yè)應(yīng)用納入考量。對(duì)這些應(yīng)用而言，尤其重要的是控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及控制器在低速和無傳感器的情況下平穩(wěn)控制 BLDC 的能力。

對(duì)于負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)用來說，標(biāo)量技術(shù)不夠精確。而磁場定向控制 (FOC) 技術(shù)能夠大大提高精度，因而廣泛用于驅(qū)動(dòng)高端工業(yè) AC 設(shè)備。通過實(shí)施 FOC，BLDC 能夠以合理的成本為無人機(jī)和其他高性能應(yīng)用（例如醫(yī)療機(jī)器人、萬向系統(tǒng)和自主駕駛車輛）提供精確控制。

設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品在過去并非易事。其中需要精通 FOC 或直接扭矩控制 (DTC) 等某些其他高級(jí)先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)，以及專用軟件開發(fā)系統(tǒng)的操作知識(shí)。如果應(yīng)用對(duì)成本敏感，例如可能在執(zhí)法行動(dòng)中使用的帶監(jiān)控?cái)z像頭的無人機(jī)，則設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 BLDC 電機(jī)也將面臨挑戰(zhàn)。

磁場定向控制 (FOC)

用于控制 BLDC 電機(jī)的傳統(tǒng)標(biāo)量技術(shù)被稱為六步（梯形）控制。定子以六步過程驅(qū)動(dòng)，會(huì)在產(chǎn)生的扭矩上振蕩。每一對(duì)繞組會(huì)通電，直到轉(zhuǎn)子到達(dá)下一位置，而此時(shí)電機(jī)將轉(zhuǎn)換到下一步。對(duì)于無傳感器的應(yīng)用，在定子繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢通常用于確定轉(zhuǎn)子的位置。

標(biāo)量控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)無法處理動(dòng)態(tài)負(fù)載快速變化的應(yīng)用。因此，矢量控制正日益得到廣泛應(yīng)用，從交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的白色家電（如洗衣機(jī)）到以電池供電的產(chǎn)品。

FOC 是矢量控制最常用的方法之一。其工作原理為：管理定子繞組以確保轉(zhuǎn)子的永磁體所產(chǎn)生的磁通正交于定子的磁場。

FOC 最初是為控制三相交流電機(jī)而開發(fā)?？紤]到用于小型無人機(jī)的 BLDC 電源是電壓為 21 V （五節(jié)鋰聚合物電池）的電池，電子元器件必須包含低壓三相逆變器系統(tǒng)。其他主要的元器件還有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、MCU 以及執(zhí)行 FOC 算法的軟件，其中軟件可能是最重要的。

FOC 處理在直軸 - 交軸 (d-q) 域中完成，該域是一個(gè)旋轉(zhuǎn)參照系。直軸和交軸分量是磁鏈狀態(tài)矢量分解的兩個(gè)分量，即產(chǎn)生磁通 (d) 和扭矩 (q) 的分量。此關(guān)系如圖 1 所示。電機(jī)定子繞組內(nèi)的電流處于受控狀態(tài)，以確保轉(zhuǎn)子的永磁體所產(chǎn)生的磁通正交（成 90°）于定子的磁場。除產(chǎn)生精確的電機(jī)控制之外，這種方式還能夠提供極其精確的扭矩控制，這才是在 d-q 坐標(biāo)系中操作的真正優(yōu)勢。

圖 1：直軸 - 交軸 (d-q) 力矩分量。

FOC 包含三個(gè)域變換：(1) 定子中的測量相電流從 3 相靜止坐標(biāo)系變換到 2 相靜止坐標(biāo)系 (α, β)；(2) 該 2 相靜止坐標(biāo)系變換為與轉(zhuǎn)子磁通對(duì)齊的旋轉(zhuǎn)二項(xiàng)坐標(biāo)系 (d-q)；(3) 為了實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)，d-q 分量又變回到定子坐標(biāo)系，用于空間矢量脈沖寬度調(diào)制 (SVPWM)。此過程如圖 2 所示。

圖 2：FOC 控制所需的域變換

為了將 d-q 坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子對(duì)齊，轉(zhuǎn)子位置的詳細(xì)信息是必不可少的。從相對(duì)簡單的反電動(dòng)勢過零檢測，到復(fù)雜的滑模觀察器和擴(kuò)展 Kalman 濾波器，轉(zhuǎn)子位置的估算技術(shù)各種各樣。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)

從靜止 3 相坐標(biāo)系變換到 2 相 d-q 坐標(biāo)系將產(chǎn)生之前所說的直軸和交軸分量。直軸 (d) 分量無有效扭矩，而事實(shí)上，它往往會(huì)增加電機(jī)的軸承磨損。因此，目標(biāo)之一就是最大限度地減少此分量。交軸 (q) 分量可產(chǎn)生實(shí)際的電機(jī)扭矩，這由應(yīng)用來決定。

d-q 分量應(yīng)用于兩個(gè) PI （比例-積分）控制器，分別對(duì)應(yīng)零和應(yīng)用扭矩設(shè)置，以產(chǎn)生矢量輸出。兩個(gè) PI 控制器的輸出是是所需定子電壓空間矢量的（新）直軸和交軸電壓分量。如之前所述，最后一步是將 d-q 分量轉(zhuǎn)換回到定子坐標(biāo)系中，以實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

上述過程只是 FOC 工作方式的總結(jié)，而其實(shí)施所需的許多相當(dāng)復(fù)雜的中間步驟，不在本文的范圍內(nèi)。有關(guān)與小型無人機(jī)直接相關(guān)的更詳細(xì)的 FOC 討論，您可參閱澳大利亞中央昆士蘭大學(xué)的帕特里克·費(fèi)雪所寫的論文“HighPerformanceMotor Control”（高性能電機(jī)控制）。1

所需的中間步驟包括：

• 確定電機(jī)的特性（除極數(shù)以及電壓與電流的額定值，BLDC 電機(jī)很少會(huì)提供更多的銘牌信息）

• 轉(zhuǎn)子位置的估算（實(shí)施 FOC 控制的關(guān)鍵信息）

• 設(shè)計(jì)合適的電源控制方案

• 設(shè)計(jì)扭矩和速度控制器

從頭開始設(shè)計(jì)一個(gè)完整的功能性 FOC 電機(jī)控制系統(tǒng)是一項(xiàng)令人望而卻步的任務(wù)，因此?Texas Instruments、Atmel?和NXPSemiconductors等半導(dǎo)體公司已經(jīng)打造了開發(fā)工具，以便為簡化實(shí)施 FOC 的設(shè)計(jì)消除大部分的復(fù)雜性。通常情況下，IC 供應(yīng)商也會(huì)選擇將開發(fā)工具使用的軟件庫存儲(chǔ)在 ROM 中，并使其僅可在選定的 MCU 上使用，以此來保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

以 TexasInstruments 為例，該公司已將其InstaSPIN-FOC 解決方案用于 TIC2000Piccolo32位 MCU 系列的三個(gè)型號(hào)：F2806x、F2805x和F2802x。對(duì)成本極其敏感型的小型無人機(jī)應(yīng)用來說，最合適的 MCU 是 F2802xMCU 系列，其中最受歡迎的產(chǎn)品為TMS320F28027FPTT。

如之前所述，精確的電機(jī)控制依賴于精確電機(jī)模型的建立InstaSPIN-FOC 包括一個(gè)名為“觀察器”的專有軟件算法，可估算轉(zhuǎn)子磁通量、角度、速度和扭矩 (FAST)。InstaSPIN-FOC 還具有電機(jī)參數(shù)識(shí)別能力，可在開發(fā)過程中離線提取必要的性能參數(shù)以及在工作過程中在線追蹤參數(shù)。

電機(jī)參數(shù)信息用于調(diào)整電流控制帶寬。與其他技術(shù)不同的是，TI 的 FAST 觀察算法有完全自微調(diào)的功能，無需為正常工作進(jìn)行任何調(diào)整。 TI 稱該算法是市場上唯一可靠且“即時(shí)”的無傳感器 FOC 操作性解決方案。

因此，設(shè)計(jì)人員在啟動(dòng)開發(fā)之后，在短短幾分鐘之內(nèi)便可擁有已完全微調(diào)的無傳感器觀察算法，以及完全微調(diào)的穩(wěn)定 FOC 扭矩控制系統(tǒng)。 在螺旋槳控制等應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員還需要做的唯一任務(wù)就是測試與微調(diào) PI 速度控制單回路，以實(shí)現(xiàn)所需的性能和操作。

基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的簡化版本如圖 3 所示。轉(zhuǎn)速 PI 控制器的輸出將作為 PI 電流控制器的輸入基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行連接。如果轉(zhuǎn)速太低，電機(jī)將增大電流以產(chǎn)生更大的扭矩，從而加快轉(zhuǎn)速。反過來，如果電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過快，電機(jī)將減少扭矩以減慢轉(zhuǎn)速。這兩個(gè) PI 控制器共同形成了級(jí)聯(lián)式控制回路，這就表示控制系統(tǒng)是由具有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部回路的外部回路所組成。（圖中的 Kd、Kd、Ka 和 Kb 四個(gè)變量是電機(jī)控制軟件生成的系數(shù)。）

圖 3：速度控制器與電流控制器級(jí)聯(lián)（圖片由 Texas Instruments 提供）

關(guān)鍵元器件

除 MCU 之外，一些其他的關(guān)鍵元器件也值得一提。三相驅(qū)動(dòng)器和逆變器系統(tǒng)是必不可少的。小扭矩?zé)o人機(jī)等低電流應(yīng)用可使用 TI DRV83x2 系列集成式三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（例如DRV8332DKDR）。DRV83x2 系列包含先進(jìn)的保護(hù)回路，該設(shè)計(jì)旨在促進(jìn)系統(tǒng)的集成和易用性，以及保護(hù)設(shè)備免受短路、過流、超溫和欠壓等多種故障情況引起的永久性故障。

可能用于商業(yè)應(yīng)用的高電流系統(tǒng)需要獨(dú)立的前置驅(qū)動(dòng)器，例如DRV8301DCAR和具有三相逆變器配置的單獨(dú) FET。TI 的CSD18533Q5ANexFET功率 MOSFET 就是其中的一個(gè)例子。

開發(fā)軟件對(duì)于基于 FOC 的電機(jī)控制應(yīng)用的成功至關(guān)重要。TI 已在 BoosterPackBOOSTXL-DRV8301中開發(fā)了包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)軟件的套件。該套件通常是 6 到 24 V 電壓以及高達(dá) 10 A 連續(xù)電流工作條件的最佳選擇。這種情況需要控制板，例如采用 InstaSPIN-FOC 技術(shù)的 C2000 PiccoloTMS320F28027FLaunchPad—LAUNCHXL-F28027F。對(duì)連續(xù)電流低于 3.5 A 的電機(jī)來說，DRV8312-69M-KIT通常是更合適的選擇。

和其他供應(yīng)商相比，TI 的產(chǎn)品系列更適合低壓低扭矩的應(yīng)用，但其他的個(gè)別供應(yīng)商也可提供電機(jī)控制開發(fā)套件。例如，NXPSemiconductors為 BLDC 提供了電機(jī)控制開發(fā)套件。OM13068 LPC1549LPCXpresso電機(jī)控制套件可與公司的LPC1549JBD48QLMCU配合使用。該平臺(tái)可用于控制BLDC、BLAC、步進(jìn)和雙刷 DC 電機(jī)。

在性能方面，使用了上述元器件的設(shè)計(jì)可媲美市面上用于小型BLDC 電機(jī)的電機(jī)控制器。定制FOC 控制器和Plush 40 等商用控制器之間最顯著的區(qū)別在于速度極低時(shí)的換向能力。FOC 控制器能夠以大約100 RPM 的速度控制所有四個(gè)電機(jī)。此外，通過使用InstaSPIN 的速度環(huán)路，電機(jī)能夠在這些低轉(zhuǎn)速的情況下產(chǎn)生極大的扭矩。

定制FOC 板也可實(shí)現(xiàn)快于商用控制器的最高電機(jī)速度。平均來說，在電機(jī)速度從零增加至全速時(shí)，定制FOC 控制器所需的時(shí)間減少了35%。另外，每個(gè)電機(jī)在 FOC 控制下的空載轉(zhuǎn)速比任何受測試的商用控制器都要快。1

結(jié)論

一類新型的電機(jī)控制應(yīng)用正在興起，此應(yīng)用需要對(duì)小型 BLDC 電機(jī)具備出色的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這些應(yīng)用包括醫(yī)療機(jī)器人、萬向系統(tǒng)、自主駕駛車輛和小型無人機(jī)。雖然 FOC 電機(jī)控制技術(shù)在過去幾十年中廣泛用于 AC 工業(yè)電機(jī)和白色家電電機(jī)，但由于此技術(shù)非常復(fù)雜，且需要高性能的 MCU，因此迄今為止尚未應(yīng)用于由電池組供電的小型電機(jī)。然而過去幾年出現(xiàn)了讓這種可能成為現(xiàn)實(shí)的新產(chǎn)品。

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