無人機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用范圍從業(yè)余愛好者到商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，再到最先進(jìn)的軍事應(yīng)用。無人機(jī)的優(yōu)勢在于可以遠(yuǎn)程操作，因此可以飛越難以親自到達(dá)的地區(qū)，危險(xiǎn)或不方便。商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是多方面的：農(nóng)業(yè)、植物和建筑物的監(jiān)控、拍攝區(qū)域，甚至包裹、藥品或必需品的運(yùn)送。未來幾年，無人機(jī)的新應(yīng)用和進(jìn)一步應(yīng)用很可能會被確定，屆時(shí)它們將不再僅被視為玩具或小工具，而是提高我們生活質(zhì)量的寶貴工具。

電子調(diào)速

本文重點(diǎn)介紹中高程無人機(jī)，通常配備無刷直流電機(jī)。這種類型的電機(jī)需要仔細(xì)和連續(xù)地調(diào)節(jié)速度和相對旋轉(zhuǎn)方向;在某些情況下，還需要實(shí)現(xiàn)真正的動態(tài)制動。負(fù)責(zé)這些功能的電路是ESC(Electronic Speed Controller)，它通常由電源級、電流檢測電路、微控制器和與飛行控制器的通信接口組成(圖1)。電調(diào)的設(shè)計(jì)涉及一系列重要特征，涉及：

用于電機(jī)控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

成本和效率之間的折衷(因此飛行時(shí)間);

無人機(jī)上安裝的電池類型;

所需的性能(例如，最大可控電機(jī)速度);

電磁兼容性 (EMC) 和抗干擾能力。

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圖 1：無人機(jī)框圖

有兩種類型的無刷電機(jī)適用于無人機(jī)：直流無刷電機(jī) (BLDC) 和交流無刷電機(jī) (BLAC)，也稱為永磁同步電機(jī) (PMSM)。選擇使用哪種類型的電機(jī)通?；谒x的控制算法：梯形或磁場定向控制 (FOC)。更準(zhǔn)確地說，梯形電機(jī)控制算法具有以下特點(diǎn)：

基于六步換向序列的電機(jī)控制;

轉(zhuǎn)子磁角檢測，以正確的角度進(jìn)行換向(每步對應(yīng)60度角);

在沒有傳感器的情況下，換向角是通過測量相電壓反電動勢來估計(jì)的。

相反，F(xiàn)OC 控制算法具有以下特點(diǎn)：

通過正弦相電壓或電流 (FOC) 控制電機(jī);

轉(zhuǎn)子磁場角度檢測精度在1-5度之間，始終保證最大扭矩;

在沒有傳感器的情況下，轉(zhuǎn)子磁角是根據(jù)電機(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，無傳感器控制系統(tǒng)通常是首選，因?yàn)樗梢越档晚?xiàng)目成本并有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

用于在不同功率級之間換向的PWM 信號根據(jù)選擇的控制類型而變化。圖 2顯示了去除 PWM 載波后獲得的濾波相電壓，參考梯形和正弦電機(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

梯形控制受到一個(gè)問題(問題)的影響，由于每相之間的突然變化，這會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動和電流尖峰，降低效率并產(chǎn)生振動。在電氣層面，電調(diào)的直流母線電壓在7.4V到22.4V之間，而鋰聚合物電池(LiPo)的電流在10A到20A之間。為了盡量減少干擾，用于相間換向的 PWM 頻率在 30kHz 到 60kHz 之間。一旦選擇了控制算法，就必須決定控制是開環(huán)還是閉環(huán)。

圖 3：具有無傳感器控制的無刷電機(jī)的 ESC

閉環(huán)控制是優(yōu)選的，因?yàn)橥ㄟ^測量使電機(jī)執(zhí)行所需位移所需的電流，相對于開環(huán)解決方案獲得更高的效率和精度。在梯形控制的情況下，只需要測量一個(gè)分流電流，而在正弦控制的情況下，最多需要測量三個(gè)分流電流(圖 3)。使用閉環(huán)控制時(shí)，需要對算法進(jìn)行調(diào)整，以便電機(jī)在高轉(zhuǎn)速(即超過 12kRPM)下保持穩(wěn)定。

商用無人機(jī)解決方案

無人機(jī)電調(diào)的設(shè)計(jì)需要高品質(zhì)的組件，專為以最大速度驅(qū)動高速電機(jī)而設(shè)計(jì)。德州儀器 (TI) 開發(fā)了一個(gè)名為 InstaSPIN 的 MCU 系列，它使設(shè)計(jì)三相電機(jī)控制應(yīng)用程序變得更加容易。InstaSPIN-FOC 適用于無傳感器系統(tǒng)，具有快速軟件編碼器，可對任何三相電機(jī)進(jìn)行扭矩和速度控制。InstaSPIN-MOTION 而是針對傳感器系統(tǒng)，并為任何三相電機(jī)提供位置、速度和扭矩控制。除了 MCU，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 和具有三個(gè)集成分流放大器的 DRV8305 三相柵極驅(qū)動器。

InstaSPIN 附帶一個(gè)高壓電機(jī)控制套件，這是一個(gè)完整的參考設(shè)計(jì)，用于學(xué)習(xí)和試驗(yàn)高壓電機(jī)的數(shù)字控制。該平臺基于革命性的InstaSPIN-FOC和 InstaSPIN-MOTION 電機(jī)控制技術(shù)，包括一個(gè) TI C2000 InstaSPIN 32 位微控制器(圖 4)。它允許開發(fā)人員快速識別、自動調(diào)整和控制三相電機(jī)，從而快速提供穩(wěn)定且功能強(qiáng)大的電機(jī)控制系統(tǒng)。該套件是一款出色的全方位電機(jī)逆變器設(shè)計(jì)工具，展示了對最常見類型的高壓三相電機(jī)的無傳感器和基于編碼器的控制，包括交流感應(yīng) (ACI)、無刷直流 (BLDC) 和永磁體同步電機(jī)(PMSM 和 IPM)。

STMicroelectronics 還提供完整的電子速度控制器 (ESC) 參考設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無傳感器 FOC 算法。STEVAL-ESC001V1 電子速度控制器參考設(shè)計(jì)適用于入門級商用無人機(jī)設(shè)計(jì)，可驅(qū)動任何由 6S LiPo 電池組或任何等效直流電源供電的三相無刷(或 PMSM)電機(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)人員可以快速開發(fā)他們的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)具有 3 分流電流讀數(shù)、速度控制和完全主動制動的無傳感器磁場定向控制算法。參考設(shè)計(jì)板可以通過 PWM 信號接受來自飛行控制器的命令，但也可以使用其他通信接口，如 UART、CAN 和 I2C。

圖 4：DRV8305 的簡化電路

該參考包括一個(gè)工作電壓為 5V 的電池消除器電路、一個(gè)用于溫度測量的 NTC 傳感器以及用于過流和過壓保護(hù) (OCP/OVP) 的電路。小尺寸和電流能力使該參考設(shè)計(jì)適用于專業(yè)無人機(jī)等小型輕型無人機(jī)上的電子速度控制器。STSW-ESC001V1 固件/軟件包加上 STM32 PMSM FOC 軟件開發(fā)套件 – MC 庫允許通過對嵌入在 STM32 MCU 中的磁場定向控制參數(shù)起作用來優(yōu)化電子速度控制器設(shè)計(jì)，并利用 ST 電機(jī)輪廓儀檢索相關(guān)電機(jī)參數(shù)迅速。ST 無傳感器 FOC 算法適用于任何三相 BLDC 或 PMSM 電機(jī)應(yīng)用，確保更長的飛行時(shí)間和最佳動態(tài)性能。

結(jié)論

無人機(jī)的電子速度控制器對于中小型商用無人機(jī)的電機(jī)速度控制至關(guān)重要。最廣泛使用的解決方案之一是基于用于控制三相無刷電機(jī)的無傳感器 FOC 技術(shù)。對于可實(shí)現(xiàn)更高精度和更好速度控制器的有傳感器解決方案，無傳感器解決方案具有成本更低和重量更輕的優(yōu)勢，這是任何中小型無人機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。
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