「行業(yè)資訊」無(wú)人機發(fā)動(dòng)機電子穩定控制模塊的設計

無(wú)人機設計的關(guān)鍵是能夠控制馬達的速度和旋轉。大多數無(wú)人機的動(dòng)力來(lái)自無(wú)刷直流電動(dòng)機，需要不斷調節轉速和旋轉方向。電子速度控制（ESC）模塊執行這些功能，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的通信接口，從而使其成為無(wú)人機的基礎。本文將介紹設計電子穩定控制系統時(shí)需要考慮的重要因素以及市場(chǎng)發(fā)展解決方案。

電子穩定控制系統的設計需要對其特性進(jìn)行仔細的評估和分析，總結如下：

• 安裝在無(wú)人機上的電池

• 電動(dòng)機

• 可用預算

• 電磁兼容性（EMC）和抗干擾性

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

• 基于六相開(kāi)關(guān)序列的電機控制

• 檢測轉子的磁角，用于設置正確的角度；每一步對應一個(gè)60°角

• 在無(wú)位置傳感器控制系統中，開(kāi)關(guān)角是通過(guò)測量反電動(dòng)勢相位電壓來(lái)估計的

另一方面，FOC控制算法具有以下特點(diǎn)：

• 通過(guò)正弦相位電壓或電流（FOC）控制電機

• 轉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(wú)傳感器控制系統中，電機的磁角是根據電機的相電壓和電流來(lái)估計的。它的位置是通過(guò)監測電機的某些電氣參數來(lái)確定的，而不需要使用額外的傳感器。無(wú)刷直流電動(dòng)機是無(wú)刷直流電動(dòng)機中最常見(jiàn)的一種，因為它體積小、成本低、耐久性和魯棒性強。

大多數無(wú)人機至少有四個(gè)電機，四個(gè)電機版本是使用最多的。電子穩定控制系統負責控制每臺電機的速度，因此，最常見(jiàn)的無(wú)人機架構涉及到為每個(gè)電機專(zhuān)門(mén)使用電子穩定控制系統。所有電子穩定控制系統必須能夠通過(guò)飛行控制器直接或間接地相互通信，以便輕松控制無(wú)人機。每一個(gè)馬達的旋轉方向也很重要：在四角機上，一對馬達朝一個(gè)方向轉動(dòng)，而另一對馬達則朝相反的方向轉動(dòng)。

ESC制造商最常用的電機控制技術(shù)是磁場(chǎng)定向控制，一種控制電機轉矩和速度的技術(shù)。如果執行正確，FOC甚至可以處理快速的加速度變化，而不會(huì )產(chǎn)生不穩定性，允許無(wú)人機執行復雜的機動(dòng)，同時(shí)最大限度地提高效率。

下圖1中的方框圖顯示了一個(gè)FOC架構，它包括以下組件：

• 由兩個(gè)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換，以及從Park到Park的逆轉換

• 將vα和vβ指令轉換為定子繞組脈寬調制信號的空間矢量調制器算法

• 保護和輔助功能，包括啟動(dòng)和關(guān)閉邏輯

• 如果需要無(wú)傳感器控制，估計轉子角位置的可選觀(guān)測器

圖1：現場(chǎng)控制框圖（來(lái)源：Mathworks）

設計FOC的電機控制工程師要完成幾個(gè)任務(wù)，包括為電流環(huán)開(kāi)發(fā)兩個(gè)PI控制器的控制器結構，優(yōu)化所有PI控制器的增益以滿(mǎn)足性能要求，以及設計一個(gè)空間矢量調制器來(lái)控制PWM。

一旦選擇了控制算法（梯形或FOC），下一步就是在開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制系統之間進(jìn)行選擇。在開(kāi)環(huán)控制中，同步電動(dòng)機（BLDC或BLAC）是通過(guò)控制信號驅動(dòng)的，并且假定它遵循命令的控制動(dòng)作。在閉環(huán)控制系統中，電路能夠檢查電機是否按預期運動(dòng)。否則，控制系統會(huì )通過(guò)減小或增加電流來(lái)自動(dòng)補償過(guò)度或不足的運動(dòng)。

當使用閉環(huán)或開(kāi)環(huán)（無(wú)傳感器）控制系統時(shí)，必須測量電流和電壓作為反饋信號。圖2顯示了一個(gè)典型的測量設置，適用于梯形和正弦控制系統。采用梯形控制和無(wú)傳感器算法，利用三相電壓計算轉子角。

圖2：帶無(wú)傳感器電機控制的ESC。右邊是TI為無(wú)人機電子穩定控制系統設計的高速無(wú)傳感器聚焦。

無(wú)人機的機械簡(jiǎn)單性和空氣動(dòng)力學(xué)穩定性與發(fā)動(dòng)機及其操縱的協(xié)調使用有關(guān)。在四軸直升機中，位于結構對角線(xiàn)上的一對電機與另兩個(gè)電機的轉向方向相同，但方向相反。如果所有四個(gè)馬達以相同的速度轉動(dòng)，無(wú)人機可以爬升、下降或保持水平飛行。如果對角線(xiàn)對的轉動(dòng)速度比另一對快，無(wú)人機就會(huì )圍繞其重心旋轉，并保持在同一水平面上（圖3）。

圖3：無(wú)人機使用不同的旋翼速度組合來(lái)執行機動(dòng)。（來(lái)源：STMicroelectronics）

如果改變頭部（或尾部）旋翼的速度，無(wú)人機將像固定翼飛機俯沖一樣向上或向下指向。左或右扭矩調整將導致無(wú)人機滾動(dòng)，使其繞軸旋轉。由無(wú)人機的飛行控制系統來(lái)改變適當的旋翼速度，以達到完成所需機動(dòng)所需的飛行高度。

對于控制工程師來(lái)說(shuō)，速度校正是一個(gè)常見(jiàn)的控制回路反饋問(wèn)題，它通過(guò)比例、積分、微分（PID）控制器來(lái)解決。

為無(wú)人機設計電子穩定控制系統需要高質(zhì)量的部件，專(zhuān)門(mén)設計用于控制高轉速發(fā)動(dòng)機（12000轉/分）。德州儀器公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為InstaSPIN的mcu家族，簡(jiǎn)化了三相電機控制應用程序的設計。InstaSPIN FOC適用于無(wú)傳感器系統，具有適用于任何三相電機的轉矩和速度控制的快速軟件編碼器。InstaSPIN MOTION針對無(wú)傳感器系統，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計，包括InstaSPIN FOC和InstaSPIN運動(dòng)電機控制技術(shù)。該平臺包括一個(gè)32位TI C2000 InstaSPIN微控制器。它允許開(kāi)發(fā)人員識別、自動(dòng)調整和控制三相電機，快速提供穩定和功能正常的電機控制系統。

STMicroelectronics提供完整的ESC參考設計，實(shí)現無(wú)傳感器FOC算法。STEVAL-ESC001V1 ESC參考設計適用于入門(mén)級商用無(wú)人機設計，可驅動(dòng)任何三相無(wú)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(guò)一個(gè)完整的預配置固件包（STSW-ESC001V1），使設計人員能夠快速開(kāi)發(fā)其應用程序，實(shí)現了一個(gè)無(wú)傳感器磁場(chǎng)定向控制算法，具有三個(gè)分流電流讀數、速度控制和全主動(dòng)制動(dòng)。STSW-ESC001V1固件/軟件包加上STM32 PMSM FOC軟件開(kāi)發(fā)工具包MC庫，可通過(guò)對嵌入在STM32 MCU中的FOC參數進(jìn)行操作來(lái)優(yōu)化ESC設計，并利用ST motor profiler快速檢索相關(guān)電機參數。ST的無(wú)傳感器FOC算法可適用于任何三相無(wú)刷直流電機或永磁同步電機應用，提供更長(cháng)的飛行時(shí)間和最佳的動(dòng)態(tài)性能（圖4和圖5）。

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

圖5:ST的STEVAL-ESC001V1板（來(lái)源：STMicroelectronics）

這個(gè) 主無(wú)人機開(kāi)發(fā)平臺是一個(gè)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(chē)輛，從無(wú)人機、漫游車(chē)到無(wú)人機。開(kāi)發(fā)包基本上是基于一個(gè)微處理器，帶有Linux和Open-CV和各種輔助傳感器來(lái)引導飛行。

飛行控制器確保無(wú)人機保持穩定。該板是開(kāi)源的，可以根據功能插入其他外部傳感器來(lái)優(yōu)化操作。

必須使用其中一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)連接實(shí)現LiPo電池和特定國家的遙測無(wú)線(xiàn)電。要獲得套件的完整功能，您需要選擇購買(mǎi)兩個(gè)可用遙測無(wú)線(xiàn)電設備中的哪一個(gè)。通過(guò)遙測，您可以在飛行過(guò)程中與飛行器建立實(shí)時(shí)連接，并且可以在飛行過(guò)程中查看無(wú)人機的狀態(tài)、裝載和控制自主航路點(diǎn)并進(jìn)行任何必要的更改。遙測數據被發(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(kāi)關(guān)、蜂鳴器、明亮的RGB狀態(tài)LED、SEGGER J-Link EDU Mini/FTDI USB-TTL-3V3電纜/帶電纜的調試分接板、BLDC無(wú)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(lái)源：NXP）