為無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)電子速度控制器

為無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)電子速度控制器無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其應(yīng)用范圍廣泛，從業(yè)余愛(ài)好領(lǐng)域到商業(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)勢(shì)在于能夠遠(yuǎn)程操作，因此可以飛越難以親自到達(dá)的區(qū)域，危險(xiǎn)或不便。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、射擊區(qū)域，甚至是包裹、藥品或必需品的運(yùn)送。無(wú)人機(jī)的新的和進(jìn)一步的應(yīng)用很可能在未來(lái)幾年被確定，屆時(shí)它們將不再被視為玩具或小工具，而是作為改善我們生活質(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)刷直流電機(jī)的中遠(yuǎn)程無(wú)人機(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(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），它通常由電源級(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)涉及一系列重要特征，涉及：用于電機(jī)控制的拓?fù)?；成本和效率之間的折衷（因此是飛行時(shí)間）；安裝在無(wú)人機(jī)上的電池類型；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。適用于無(wú)人機(jī)的無(wú)刷電機(jī)有兩種：直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)和交流無(wú)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(chǎng)定向控制(FOC)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，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；檢測(cè)轉(zhuǎn)子的磁角，以正確的角度進(jìn)行換向（每一步對(duì)應(yīng)一個(gè)60度的角度）；在沒(méi)有傳感器的情況下，通過(guò)測(cè)量相電壓反電動(dòng)勢(shì)來(lái)估計(jì)換向角。相反，F(xiàn)OC控制算法具有以下特點(diǎn)：通過(guò)正弦相電壓或電流(FOC)控制電機(jī)；轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)角度檢測(cè)，最小精度在1到5度之間，始終保證最大扭矩；在沒(méi)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(wú)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(jí)之間換向的PWM信號(hào)根據(jù)所選控制類型的不同而有所不同。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。梯形控制受到一個(gè)問(wèn)題（aproblem）的影響，由于各相之間的突變，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流尖峰，從而降低效率并產(chǎn)生振動(dòng)。在電氣層面，電調(diào)的直流母線電壓介于7.4V和22.4V之間，而來(lái)自鋰聚合物電池(LiPo)的電流介于10A和20A之間。為了盡量減少干擾，用于相間換向的PWM頻率介于30kHz和60kHz之間。一旦選擇了控制算法，就必須決定控制是在開環(huán)還是閉環(huán)中進(jìn)行。閉環(huán)控制是優(yōu)選的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)測(cè)量使電機(jī)執(zhí)行所需位移所需的電流，相對(duì)于開環(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，只需測(cè)量一個(gè)分流電流，而在正弦控制的情況下，則需要測(cè)量多達(dá)三個(gè)分流電流（圖3）。使用閉環(huán)控制時(shí)，需要對(duì)算法進(jìn)行調(diào)整，以使電機(jī)在高轉(zhuǎn)速（即超過(guò)12kRPM）下保持穩(wěn)定。商用無(wú)人機(jī)解決方案無(wú)人機(jī)電調(diào)的設(shè)計(jì)需要高級(jí)組件，專門設(shè)計(jì)用于以最高速度驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)。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(wú)傳感器系統(tǒng)，具有快速軟件編碼器，可對(duì)任何三相電機(jī)進(jìn)行扭矩和速度控制。InstaSPIN-MOTION改為針對(duì)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)集成電流分流放大器的DRV8305三相柵極驅(qū)動(dòng)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(tái)基于革命性的InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION電機(jī)控制技術(shù)，包括一個(gè)TIC2000InstaSPIN32位微控制器（圖4）。它使開發(fā)人員能夠快速識(shí)別、自動(dòng)調(diào)諧和控制三相電機(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(duì)最常見(jiàn)類型的高壓三相電機(jī)的無(wú)傳感器和基于編碼器的控制，包括交流感應(yīng)(ACI)、無(wú)刷直流(BLDC)和永磁電機(jī)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(wú)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(jí)商用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)，可驅(qū)動(dòng)由6S鋰聚合物電池組或任何等效直流電源供電的任何三相無(wú)刷（或PMSM）電機(jī)，峰值電流高達(dá)30A.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)用程序，實(shí)施具有3分流電流讀數(shù)、速度控制和完全主動(dòng)制動(dòng)的無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制算法。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，如UART、CAN和I2C。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(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。小巧的外形尺寸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/軟件包加上STM32PMSMFOC軟件開發(fā)套件–MC庫(kù)允許通過(guò)作用于嵌入在STM32MCU中的磁場(chǎng)定向控制參數(shù)優(yōu)化電子速度控制器設(shè)計(jì)，并利用ST電機(jī)分析器檢索相關(guān)電機(jī)參數(shù)迅速。ST無(wú)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(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)的電子速度控制器對(duì)于在中小型商用