小型直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)定向控制放無(wú)人駕駛飛機(jī)在上升飛行軌跡

動(dòng)翻譯，供參考

小型直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)定向控制放無(wú)人駕駛飛機(jī)在上升飛行軌跡

無(wú)刷直流(BLDC)電動(dòng)機(jī)廣泛用于電子設(shè)備的設(shè)計(jì)，如磁盤驅(qū)動(dòng)器，冷卻風(fēng)扇，和DVD播放機(jī)，因?yàn)樗鼈兙哂猩芷陂L(zhǎng)，在直流電源上運(yùn)行，并且相對(duì)便宜。通常，BLDCs的速度和扭矩由微控制器使用標(biāo)量的技術(shù)來(lái)控制。

一類新的應(yīng)用正在形成一個(gè)由quadrotor無(wú)人駕駛飛機(jī)，已成為流行的業(yè)余愛(ài)好者為代表。無(wú)人機(jī)也正在考慮類似的監(jiān)視眾多的商業(yè)應(yīng)用。這些應(yīng)用特別重要的是在控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和其在低速sensorlessly和穩(wěn)定地控制BLDCs能力。

標(biāo)量技術(shù)是不夠精確的動(dòng)態(tài)改變負(fù)載的應(yīng)用。精度可以通過(guò)使用磁場(chǎng)定向控制(FOC)技術(shù)，該技術(shù)通常用于推動(dòng)高端工業(yè)AC設(shè)備可以顯著改善。通過(guò)實(shí)施FOC，BLDCs可以提供精確的控制，無(wú)人駕駛飛機(jī)和其他高性能應(yīng)用，如醫(yī)療機(jī)器人，萬(wàn)向系統(tǒng)，并以合理的成本自主車。

在過(guò)去設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品并不容易。它涉及的FOC或一些其它高級(jí)，復(fù)雜的電機(jī)控制技術(shù)的理解，如直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)，以及專門的軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的操作知識(shí)。當(dāng)應(yīng)用程序也是成本敏感的 - 例如一個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭，可能被用于執(zhí)法無(wú)人駕駛飛機(jī) - 那么表征便宜的BLDC電機(jī)也提出了挑戰(zhàn)。

磁場(chǎng)定向控制(FOC)

用于控制BLDC電機(jī)的常規(guī)標(biāo)量技術(shù)被稱為六步(或梯形)的控制。定子被驅(qū)動(dòng)在六個(gè)步驟，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生振蕩。每對(duì)繞組通電，直至轉(zhuǎn)子達(dá)到在該點(diǎn)馬達(dá)被換向到下一個(gè)步驟的下一個(gè)位置。對(duì)于傳感器應(yīng)用中，反電動(dòng)勢(shì)在定子繞組通常被用來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生的。

標(biāo)量控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是無(wú)法處理的應(yīng)用與快速變化的動(dòng)態(tài)負(fù)載。其結(jié)果是，矢量控制已經(jīng)變得越來(lái)越流行用于各種從交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的白色產(chǎn)品的應(yīng)用，如洗衣機(jī)，以電池供電的產(chǎn)品。

FOC是用于矢量控制的最常用的方法之一。它的工作原理通過(guò)管理定子繞組保持由轉(zhuǎn)子的垂直于定子激磁用永久磁鐵產(chǎn)生的磁通。

FOC最初被開(kāi)發(fā)以控制三相交流電機(jī)。鑒于用動(dòng)力源在小無(wú)人駕駛飛機(jī)中使用的BLDCs是一個(gè)21 V(5-細(xì)胞鋰聚合物)電池，電子元件必須包括一個(gè)低電壓的三相逆變器系統(tǒng)。其它主要部件包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，MCU，也許最重要的是，執(zhí)行FOC算法的軟件。

在直接正交(DQ)域，這是參照一個(gè)旋轉(zhuǎn)框架進(jìn)行FOC處理。的直接和正交分量是交鏈磁通的狀態(tài)向量分解成兩部分：flux-(d)和轉(zhuǎn)矩(q)的-producing組件。這種關(guān)系的圖示于圖1電機(jī)中的電流的定子繞組被控制，以保持由轉(zhuǎn)子的正交永久磁鐵(90°)到定子磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁通。除了生產(chǎn)精確的電機(jī)控制，這也提供了非常精確的轉(zhuǎn)矩控制，這是在dq坐標(biāo)系經(jīng)營(yíng)的真正優(yōu)勢(shì)。

直接正交的(d-q)的力分量的圖像

FOC嗣繼承三結(jié)構(gòu)域的變換：(1)在定子實(shí)測(cè)相電流從三相靜止參考幀被轉(zhuǎn)換為一個(gè)靜止2相位參考(α，β); (2)在兩相靜止參考幀被變換成在旋轉(zhuǎn)兩相參考系統(tǒng)(DQ)是與轉(zhuǎn)子磁通對(duì)齊;和(3)為了實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在dq組件回變換到定子基準(zhǔn)幀和用于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)。此過(guò)程示于圖2。

需要FOC控制域變換的圖像

圖2：需要FOC控制域的轉(zhuǎn)換。

詳細(xì)轉(zhuǎn)子位置信息是必需的，以便使與轉(zhuǎn)子在dq坐標(biāo)系。轉(zhuǎn)子位置估計(jì)技術(shù)的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單，反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)到復(fù)雜的滑模觀察員和擴(kuò)展卡爾曼濾波器。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)

變換從靜態(tài)三相參考幀到2相的dq坐標(biāo)系的結(jié)果在先前提到的直接和正交分量。直接(D)成分不提供有用扭矩，事實(shí)上，趨向于增加電機(jī)軸承的磨損。一個(gè)目標(biāo)是最小化這個(gè)組件。正交(Q)分量產(chǎn)生實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)矩和由應(yīng)用程序確定的。

在dq分量加到2的PI(比例 - 積分)控制器參照零，并且應(yīng)用扭矩設(shè)定分別以產(chǎn)生一個(gè)矢量輸出。兩個(gè)PI控制器的輸出是(新的)直接和正交電壓所需的定子電壓空間矢量的分量。如前所述，最后一步是將在dq組件回定子參考幀以實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

所描述的過(guò)程是僅FOC操作的匯總。實(shí)現(xiàn)要求相當(dāng)復(fù)雜，超出了本文的范圍眾多的中間步驟。 FOC的，是專門直接關(guān)系到小型無(wú)人駕駛飛機(jī)的更完整的討論中可以找到“高性能電機(jī)控制，”論文由中央昆士蘭大學(xué)，Australia.1的帕特里克·費(fèi)希爾

其中包括所需的臨時(shí)步驟是：

確定所述電機(jī)的特性(BLDC電機(jī)很少提供比極和電壓和電流額定值的數(shù)目更多銘牌信息)。

轉(zhuǎn)子位置估計(jì)(用于實(shí)現(xiàn)FOC控制關(guān)鍵信息)

設(shè)計(jì)一個(gè)合適的電源控制方案

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制器

從地上爬起來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)完整的，功能FOC型電機(jī)控制系統(tǒng)非常艱巨的半導(dǎo)體公司，包括德州儀器，Atmel公司和恩智浦半導(dǎo)體已創(chuàng)建開(kāi)發(fā)工具，去除大部分的復(fù)雜性從簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)FOC的設(shè)計(jì)。在一般情況下，IC供應(yīng)商也選擇通過(guò)存儲(chǔ)在ROM中所使用的開(kāi)發(fā)工具的軟件庫(kù)，使它們只能在特定的MCU來(lái)保護(hù)自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

德州儀器(TI)，例如，已在TI的C2000短笛32位MCU系列三種型號(hào)的InstaSPIN-FOC解決方案可供選擇：F2806x，F(xiàn)2805x和推出的F2802x。對(duì)于小型無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，是非常敏感的成本，最合適的MCU是推出的F2802x MCU系列的成員，與最流行的特定設(shè)備作為TMS320F28027FPTT。

如前所述，精確的電機(jī)控制依賴于創(chuàng)建電動(dòng)機(jī)的精確模型。 InstaSPIN-FOC包括被稱為“觀察者”來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈，角度，速度專有軟件算法和扭矩(FAST)。 InstaSPIN-FOC還提供電機(jī)參數(shù)辨識(shí)的發(fā)展過(guò)程中脫機(jī)提取必要的性能參數(shù)和運(yùn)行過(guò)程中的在線跟蹤參數(shù)。

電動(dòng)機(jī)參數(shù)信息用于調(diào)諧電流控制帶寬。不同于其他技術(shù)，TI的FAST觀測(cè)完全是自我調(diào)整，需要進(jìn)行正確操作沒(méi)有任何調(diào)整。 TI聲稱它是唯一的健壯和“瞬間”操作傳感器，F(xiàn)OC市場(chǎng)上的解決方案。

因此，設(shè)計(jì)人員可以有一個(gè)完全調(diào)整傳感器觀測(cè)和啟動(dòng)發(fā)展分鐘內(nèi)完全調(diào)整好并且穩(wěn)定的FOC轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。在如螺旋槳控制的應(yīng)用程序，留給設(shè)計(jì)者的唯一任務(wù)是檢驗(yàn)和調(diào)整的單一的PI速度控制環(huán)路所需的性能和操作。

基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化版本顯示在圖3中的速度的PI控制器的輸出被連接作為用于PI-電流控制器輸入的參考信號(hào)。如果速度過(guò)低，則馬達(dá)的電流增加，以產(chǎn)生更大的扭矩以加快其速度。相反，如果電動(dòng)機(jī)太快，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩降低到使電機(jī)減速。總之，這兩個(gè)PI控制形成級(jí)聯(lián)控制環(huán)路，這意味著一個(gè)控制系統(tǒng)，它包括一個(gè)外環(huán)與一種或多種內(nèi)循環(huán)。 (變量的Kd，Kd值，嘉，和KB在圖中由電機(jī)控制軟件生成的系數(shù)。)

德州儀器速度控制器的圖像級(jí)聯(lián)的電流控制器

圖3：級(jí)聯(lián)電流控制器速度控制器。 (禮貌德州儀器)

關(guān)鍵部件

除了MCU，其他一些關(guān)鍵部件也值得一提。三相驅(qū)動(dòng)器和逆變器系統(tǒng)是必需的。低電流應(yīng)用，如小扭矩?zé)o人機(jī)可以使用部分來(lái)自TI DRV83x2系列集成三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(如DRV8332DKDR)。該DRV83x2系列包含因各種故障情況設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)集成和易用性，以及維護(hù)永久性故障的設(shè)備先進(jìn)的保護(hù)電路，如短路，過(guò)流，過(guò)熱，欠壓。

可能在商業(yè)應(yīng)用中使用的高電流的系統(tǒng)需要一個(gè)獨(dú)立的預(yù)驅(qū)動(dòng)器如DRV8301DCAR并在一個(gè)三相逆變器配置個(gè)別的FET。一個(gè)例子是TI的CSD18533Q5A NexFET功率MOSFET。

發(fā)展軟件與FOC型電機(jī)控制應(yīng)用成功的關(guān)鍵。 TI開(kāi)發(fā)了一套包括在BoosterPack BOOSTXL-DRV8301電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)軟件。它通常是在6至24個(gè)V和多達(dá)10個(gè)的連續(xù)的最佳選擇。這需要一個(gè)控制板等C2000短笛TMS320F28027F的LaunchPad與InstaSPIN-FOC - 如LAUNCHXL-F28027F。對(duì)于小于3.5的連續(xù)電機(jī)，DRV8312-69M-KIT通常是更好的選擇。

TI的產(chǎn)品系列顯得更加符合低電壓，比其他廠商的低扭矩應(yīng)用程序，但一些提供電機(jī)控制開(kāi)發(fā)套件為好。恩智浦半導(dǎo)體提供電機(jī)控制開(kāi)發(fā)套件BLDCs。該OM13068 LPC1549 LPCXpresso電機(jī)控制套件用于與該公司的LPC1549JBD48QL MCU。這個(gè)平臺(tái)可以用來(lái)控制BLDC，BLAC，踏步機(jī)，及雙刷直流電機(jī)。

使用這些組件的設(shè)計(jì)可以在性能方面市售馬達(dá)控制器，用于小BLDC電機(jī)進(jìn)行比較。定制的FOC控制器和商業(yè)控制器之間的最顯著差異如毛絨40是其整流在非常低的速度的能力。在FOC控制器可以在約100轉(zhuǎn)的速度控制所有四臺(tái)電機(jī)。此外，利用InstaSPIN的速度環(huán)電機(jī)開(kāi)發(fā)這些低轉(zhuǎn)速扭矩顯著。

自定義FOC板還可以實(shí)現(xiàn)最高電機(jī)速度比商業(yè)控制器更快。平均來(lái)說(shuō)，自定義的FOC控制器是在轉(zhuǎn)換從零的馬達(dá)，以全速快35%。此外，根據(jù)FOC控制各電動(dòng)機(jī)的空載速度比任何商業(yè)控制器tested.1更快

結(jié)論

一類新的電機(jī)控制應(yīng)用正在興起，需要小的BLDC電機(jī)優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療機(jī)器人，萬(wàn)向系統(tǒng)，自主車和小型無(wú)人駕駛飛機(jī)。雖然FOC電機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)使用了幾十年的交流工業(yè)和白色家電馬達(dá)，他們沒(méi)有被應(yīng)用到小型電機(jī)搭載的電池組，因?yàn)樵摷夹g(shù)是先進(jìn)的，并需要高性能的MCU。在過(guò)去的幾年中，然而，新產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，使這種可能性成為現(xiàn)實(shí)。