「行業(yè)資訊」無人機發(fā)動機電子穩(wěn)定控制模塊的設(shè)計

無人機設(shè)計的關(guān)鍵是能夠控制馬達的速度和旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)無人機的動力來自無刷直流電動機，需要不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。電子速度控制（ESC）模塊執(zhí)行這些功能，并且包括電源級、電流感測電路、微控制器和與飛行控制系統(tǒng)的通信接口，從而使其成為無人機的基礎(chǔ)。本文將介紹設(shè)計電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)時需要考慮的重要因素以及市場發(fā)展解決方案。

電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計需要對其特性進行仔細的評估和分析，總結(jié)如下：

• 安裝在無人機上的電池

• 電動機

• 可用預算

• 電磁兼容性（EMC）和抗干擾性

無人機上可以安裝兩種類型的無刷電機：無刷直流電機（bldc）和無刷交流電機（BLACs），也稱為永磁同步電機（pmsm）。選擇哪種電機類型受所選控制算法的影響，該算法可以是梯形控制或磁場定向控制（FOC）。梯形電機控制算法具有以下主要特點：

• 基于六相開關(guān)序列的電機控制

• 檢測轉(zhuǎn)子的磁角，用于設(shè)置正確的角度；每一步對應(yīng)一個60°角

• 在無位置傳感器控制系統(tǒng)中，開關(guān)角是通過測量反電動勢相位電壓來估計的

另一方面，F(xiàn)OC控制算法具有以下特點：

• 通過正弦相位電壓或電流（FOC）控制電機

• 轉(zhuǎn)子角度檢測的最小精度為1°到5°，確保算法始終能夠提供最大扭矩

在無傳感器控制系統(tǒng)中，電機的磁角是根據(jù)電機的相電壓和電流來估計的。它的位置是通過監(jiān)測電機的某些電氣參數(shù)來確定的，而不需要使用額外的傳感器。無刷直流電動機是無刷直流電動機中最常見的一種，因為它體積小、成本低、耐久性和魯棒性強。

大多數(shù)無人機至少有四個電機，四個電機版本是使用最多的。電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)負責控制每臺電機的速度，因此，最常見的無人機架構(gòu)涉及到為每個電機專門使用電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)。所有電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)必須能夠通過飛行控制器直接或間接地相互通信，以便輕松控制無人機。每一個馬達的旋轉(zhuǎn)方向也很重要：在四角機上，一對馬達朝一個方向轉(zhuǎn)動，而另一對馬達則朝相反的方向轉(zhuǎn)動。

ESC制造商最常用的電機控制技術(shù)是磁場定向控制，一種控制電機轉(zhuǎn)矩和速度的技術(shù)。如果執(zhí)行正確，F(xiàn)OC甚至可以處理快速的加速度變化，而不會產(chǎn)生不穩(wěn)定性，允許無人機執(zhí)行復雜的機動，同時最大限度地提高效率。

下圖1中的方框圖顯示了一個FOC架構(gòu)，它包括以下組件：

• 由兩個積分比例控制器組成的電流控制器

• 可選外環(huán)速度控制器和參考電流發(fā)生器

• 從靜止幀到靜止幀的同步轉(zhuǎn)換，以及從Park到Park的逆轉(zhuǎn)換

• 將vα和vβ指令轉(zhuǎn)換為定子繞組脈寬調(diào)制信號的空間矢量調(diào)制器算法

• 保護和輔助功能，包括啟動和關(guān)閉邏輯

• 如果需要無傳感器控制，估計轉(zhuǎn)子角位置的可選觀測器

圖1：現(xiàn)場控制框圖（來源：Mathworks）

設(shè)計FOC的電機控制工程師要完成幾個任務(wù)，包括為電流環(huán)開發(fā)兩個PI控制器的控制器結(jié)構(gòu)，優(yōu)化所有PI控制器的增益以滿足性能要求，以及設(shè)計一個空間矢量調(diào)制器來控制PWM。

一旦選擇了控制算法（梯形或FOC），下一步就是在開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)之間進行選擇。在開環(huán)控制中，同步電動機（BLDC或BLAC）是通過控制信號驅(qū)動的，并且假定它遵循命令的控制動作。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電路能夠檢查電機是否按預期運動。否則，控制系統(tǒng)會通過減小或增加電流來自動補償過度或不足的運動。

當使用閉環(huán)或開環(huán)（無傳感器）控制系統(tǒng)時，必須測量電流和電壓作為反饋信號。圖2顯示了一個典型的測量設(shè)置，適用于梯形和正弦控制系統(tǒng)。采用梯形控制和無傳感器算法，利用三相電壓計算轉(zhuǎn)子角。

圖2：帶無傳感器電機控制的ESC。右邊是TI為無人機電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計的高速無傳感器聚焦。

無人機的機械簡單性和空氣動力學穩(wěn)定性與發(fā)動機及其操縱的協(xié)調(diào)使用有關(guān)。在四軸直升機中，位于結(jié)構(gòu)對角線上的一對電機與另兩個電機的轉(zhuǎn)向方向相同，但方向相反。如果所有四個馬達以相同的速度轉(zhuǎn)動，無人機可以爬升、下降或保持水平飛行。如果對角線對的轉(zhuǎn)動速度比另一對快，無人機就會圍繞其重心旋轉(zhuǎn)，并保持在同一水平面上（圖3）。

圖3：無人機使用不同的旋翼速度組合來執(zhí)行機動。（來源：STMicroelectronics）

如果改變頭部（或尾部）旋翼的速度，無人機將像固定翼飛機俯沖一樣向上或向下指向。左或右扭矩調(diào)整將導致無人機滾動，使其繞軸旋轉(zhuǎn)。由無人機的飛行控制系統(tǒng)來改變適當?shù)男硭俣龋赃_到完成所需機動所需的飛行高度。

對于控制工程師來說，速度校正是一個常見的控制回路反饋問題，它通過比例、積分、微分（PID）控制器來解決。

為無人機設(shè)計電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)需要高質(zhì)量的部件，專門設(shè)計用于控制高轉(zhuǎn)速發(fā)動機（12000轉(zhuǎn)/分）。德州儀器公司開發(fā)了一個名為InstaSPIN的mcu家族，簡化了三相電機控制應(yīng)用程序的設(shè)計。InstaSPIN FOC適用于無傳感器系統(tǒng)，具有適用于任何三相電機的轉(zhuǎn)矩和速度控制的快速軟件編碼器。InstaSPIN MOTION針對無傳感器系統(tǒng)，為任何三相電機提供位置、速度和扭矩控制。

TI為這些示波器提供了完整的參考設(shè)計，包括InstaSPIN FOC和InstaSPIN運動電機控制技術(shù)。該平臺包括一個32位TI C2000 InstaSPIN微控制器。它允許開發(fā)人員識別、自動調(diào)整和控制三相電機，快速提供穩(wěn)定和功能正常的電機控制系統(tǒng)。

STMicroelectronics提供完整的ESC參考設(shè)計，實現(xiàn)無傳感器FOC算法。STEVAL-ESC001V1 ESC參考設(shè)計適用于入門級商用無人機設(shè)計，可驅(qū)動任何三相無刷電機（或PMSM），由6S LiPo電池組或任何等效直流電源供電，峰值電流高達30A。STEVAL-ESC001V1通過一個完整的預配置固件包（STSW-ESC001V1），使設(shè)計人員能夠快速開發(fā)其應(yīng)用程序，實現(xiàn)了一個無傳感器磁場定向控制算法，具有三個分流電流讀數(shù)、速度控制和全主動制動。STSW-ESC001V1固件/軟件包加上STM32 PMSM FOC軟件開發(fā)工具包MC庫，可通過對嵌入在STM32 MCU中的FOC參數(shù)進行操作來優(yōu)化ESC設(shè)計，并利用ST motor profiler快速檢索相關(guān)電機參數(shù)。ST的無傳感器FOC算法可適用于任何三相無刷直流電機或永磁同步電機應(yīng)用，提供更長的飛行時間和最佳的動態(tài)性能（圖4和圖5）。

圖4:ST的STEVAL-ESC001V1解決方案框圖（來源：STMicroelectronics）

圖5:ST的STEVAL-ESC001V1板（來源：STMicroelectronics）

這個 主無人機開發(fā)平臺是一個模塊化和靈活的NXP硬件/軟件解決方案，可用于制造任何自主車輛，從無人機、漫游車到無人機。開發(fā)包基本上是基于一個微處理器，帶有Linux和Open-CV和各種輔助傳感器來引導飛行。

飛行控制器確保無人機保持穩(wěn)定。該板是開源的，可以根據(jù)功能插入其他外部傳感器來優(yōu)化操作。

必須使用其中一個物聯(lián)網(wǎng)連接實現(xiàn)LiPo電池和特定國家的遙測無線電。要獲得套件的完整功能，您需要選擇購買兩個可用遙測無線電設(shè)備中的哪一個。通過遙測，您可以在飛行過程中與飛行器建立實時連接，并且可以在飛行過程中查看無人機的狀態(tài)、裝載和控制自主航路點并進行任何必要的更改。遙測數(shù)據(jù)被發(fā)送到控制站，但也存儲在飛機上的飛行單元中。

套件組件還包括直流至直流電源模塊、帶底座的GPS NEO-M8N模塊、安全開關(guān)、蜂鳴器、明亮的RGB狀態(tài)LED、SEGGER J-Link EDU Mini/FTDI USB-TTL-3V3電纜/帶電纜的調(diào)試分接板、BLDC無刷電機2212 920 kV和ESC電機控制器40 A光電管（圖6）。

圖6:RDDRONE-FMUK66飛行單元（來源：NXP）