無人機的應(yīng)用范圍不斷擴大，應(yīng)用范圍從業(yè)余愛好者到商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，再到最先進的軍事應(yīng)用。無人機的優(yōu)勢在于可以遠程操作，因此可以飛越難以親自到達的地區(qū)，危險或不方便。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、藥品或必需品的運送。未來幾年，無人機的新應(yīng)用和進一步應(yīng)用很可能會被確定，屆時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

本文重點介紹中高程無人機，通常配備無刷直流電機。這種類型的電機需要仔細和連續(xù)地調(diào)節(jié)速度和相對旋轉(zhuǎn)方向;在某些情況下，還需要實現(xiàn)真正的動態(tài)制動。負責這些功能的電路是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)計涉及一系列重要特征，涉及：

用于電機控制的拓撲結(jié)構(gòu);

成本和效率之間的折衷(因此飛行時間);

無人機上安裝的電池類型;

所需的性能(例如，最大可控電機速度);

電磁兼容性 (EMC) 和抗干擾能力。

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圖 1：無人機框圖

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

基于六步換向序列的電機控制;

轉(zhuǎn)子磁角檢測，以正確的角度進行換向(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的。

相反，F(xiàn)OC 控制算法具有以下特點：

通過正弦相電壓或電流 (FOC) 控制電機;

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)電機的相電壓和電流估算的。

與基于機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，因為它可以降低項目成本并有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

設(shè)計注意事項

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的 ESC

閉環(huán)控制是優(yōu)選的，因為通過測量使電機執(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，只需要測量一個分流電流，而在正弦控制的情況下，最多需要測量三個分流電流(圖 3)。使用閉環(huán)控制時，需要對算法進行調(diào)整，以便電機在高轉(zhuǎn)速(即超過 12kRPM)下保持穩(wěn)定。

商用無人機解決方案

無人機電調(diào)的設(shè)計需要高品質(zhì)的組件，專為以最大速度驅(qū)動高速電機而設(shè)計。德州儀器 (TI) 開發(fā)了一個名為 InstaSPIN 的 MCU 系列，它使設(shè)計三相電機控制應(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，可對任何三相電機進行扭矩和速度控制。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)計的產(chǎn)品，例如 NexFET 系列功率 MOSFET 和具有三個集成分流放大器的 DRV8305 三相柵極驅(qū)動器。

InstaSPIN 附帶一個高壓電機控制套件，這是一個完整的參考設(shè)計，用于學習和試驗高壓電機的數(shù)字控制。該平臺基于革命性的InstaSPIN-FOC和 InstaSPIN-MOTION 電機控制技術(shù)，包括一個 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，從而快速提供穩(wěn)定且功能強大的電機控制系統(tǒng)。該套件是一款出色的全方位電機逆變器設(shè)計工具，展示了對最常見類型的高壓三相電機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(PMSM 和 IPM)。

STMicroelectronics 還提供完整的電子速度控制器 (ESC) 參考設(shè)計，實現(xiàn)無傳感器 FOC 算法。STEVAL-ESC001V1 電子速度控制器參考設(shè)計適用于入門級商用無人機設(shè)計，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，峰值電流高達 30 A . 該STEVAL-ESC001V1借助完整的預(yù)配置固件包 (STSW-ESC001V1)，設(shè)計人員可以快速開發(fā)他們的應(yīng)用，實現(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

該參考包括一個工作電壓為 5V 的電池消除器電路、一個用于溫度測量的 NTC 傳感器以及用于過流和過壓保護 (OCP/OVP) 的電路。小尺寸和電流能力使該參考設(shè)計適用于專業(yè)無人機等小型輕型無人機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，并利用 ST 電機輪廓儀檢索相關(guān)電機參數(shù)迅速。ST 無傳感器 FOC 算法適用于任何三相 BLDC 或 PMSM 電機應(yīng)用，確保更長的飛行時間和最佳動態(tài)性能。

結(jié)論

無人機的電子速度控制器對于中小型商用無人機的電機速度控制至關(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的無傳感器 FOC 技術(shù)。對于可實現(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的兩個關(guān)鍵因素。
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