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)是能夠遠(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、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(lèi)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。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(lèi)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(lèi)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(lèi)型的不同而有所不同。

梯形控制受到一個(gè)問(wèn)題(a problem)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(kāi)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(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，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。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(zhuān)門(mén)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(kāi)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) TI C2000 InstaSPIN 32 位微控制器。它使開(kāi)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(lèi)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(mén)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) 30 A . 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(kāi)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(zhuān)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 STM32 PMSM FOC 軟件開(kāi)發(fā)套件 – MC 庫(kù)允許通過(guò)作用于嵌入在 STM32 MCU 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)于在中小型商用無(wú)人機(jī)中提供電機(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(wú)刷電機(jī)的無(wú)傳感器 FOC 技術(shù)。對(duì)于實(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(wú)傳感器解決方案具有成本更低和重量更輕的優(yōu)勢(shì)，這是任何中小型無(wú)人機(jī)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。