無人機(jī)設(shè)計(jì)ESC以及市場開發(fā)解決方案

無人機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是能夠控制電動機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)無人機(jī)由無刷直流電動機(jī)提供動力，這需要不斷調(diào)節(jié)速度和旋轉(zhuǎn)方向。電子速度控制（ESC）模塊執(zhí)行這些功能，并包括電源級，電流感測電路，微控制器以及與飛行控制系統(tǒng)的通信接口，因此使其成為無人機(jī)的基礎(chǔ)。本文介紹了在設(shè)計(jì)ESC以及市場開發(fā)解決方案時(shí)要考慮的重要因素。

電機(jī)控制

ESC的設(shè)計(jì)需要對特性進(jìn)行仔細(xì)的評估和分析，總結(jié)如下：

• 無人機(jī)上安裝的電池
• 馬達(dá)
• 可用預(yù)算
• 電磁兼容性（EMC）和抗干擾性

無人機(jī)上可以安裝兩種類型的無刷電動機(jī)：無刷直流電動機(jī)（BLDC）和無刷交流電動機(jī)（BLAC），也稱為永磁同步電動機(jī)（PMSM）。使用哪種類型的電動機(jī)的選擇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）。梯形電動機(jī)控制算法具有以下主要特征：

• 基于六相開關(guān)序列的電機(jī)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(gè)60°角
• 在無傳感器控制系統(tǒng)中，通過測量反電動勢相電壓來估算開關(guān)角度
• 另一方面，F(xiàn)OC控制算法具有以下功能：
• 通過正弦相電壓或電流（FOC）進(jìn)行電機(jī)控制
• 轉(zhuǎn)子角度檢測的最小精度為1°至5°，這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，電動機(jī)的磁角是根據(jù)電動機(jī)的相電壓和電流來估算的。它的位置是通過監(jiān)視電動機(jī)的某些電氣參數(shù)來確定的，而無需使用其他傳感器。無人機(jī)中最常用的類型是無刷直流電動機(jī)，這是由于其體積小，成本相對較低以及耐用性和魯棒性高。

大多數(shù)無人機(jī)至少有四個(gè)電機(jī)，其中最常用的是四電機(jī)版本。ESC負(fù)責(zé)控制每個(gè)電動機(jī)的速度，因此，最常見的無人機(jī)架構(gòu)涉及為每個(gè)電動機(jī)專用的ESC。所有ESC都必須能夠通過飛行控制器直接或間接地相互通信，以便易于控制無人機(jī)。每個(gè)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向也很重要：在四軸飛行器中，一對電動機(jī)沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，而另一對電動機(jī)則沿相反方向旋轉(zhuǎn)。

ESC制造商最常用的電動機(jī)控制技術(shù)是磁場定向控制，即一種控制電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的技術(shù)。如果正確實(shí)施，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，從而使無人機(jī)能夠執(zhí)行復(fù)雜的機(jī)動，同時(shí)最大程度地提高效率。

下面的圖1中的框圖顯示了一個(gè)FOC架構(gòu)，其中包括以下組件：

• 電流控制器由兩個(gè)積分比例控制器組成
• 可選的外部環(huán)路速度控制器和參考電流發(fā)生器
• Clarke，Park和Inverse Park變換可用于從固定幀到旋轉(zhuǎn)同步幀的轉(zhuǎn)換
• 一種空間矢量調(diào)制器算法，可將vα和vβ命令轉(zhuǎn)換為應(yīng)用于定子繞組的脈寬調(diào)制信號
• 保護(hù)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，則可選觀察者來估計(jì)轉(zhuǎn)子的角位置

圖1：面向字段的控制框圖（來源：Mathworks）

設(shè)計(jì)FOC的電機(jī)控制工程師要執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，包括使用兩個(gè)用于電流回路的PI控制器開發(fā)控制器架構(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(jì)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(jìn)行選擇。在開環(huán)控制中，同步電動機(jī)（BLDC或BLAC）通過控制信號驅(qū)動，并假定遵循命令的控制動作。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電路能夠檢查電動機(jī)是否按預(yù)期運(yùn)行。如果不是，則控制系統(tǒng)會通過減小或增大電流來自動補(bǔ)償過度運(yùn)動或運(yùn)動不足。

使用閉環(huán)或開環(huán)（無傳感器）控制系統(tǒng)時(shí)，必須測量電流和電壓以用作反饋信號。圖2顯示了適用于梯形和正弦控制系統(tǒng)的典型測量設(shè)置。通過將梯形控制與無傳感器算法結(jié)合使用，無傳感器算法將使用三相電壓來計(jì)算轉(zhuǎn)子角。

圖2：具有無傳感器電機(jī)控制的ESC。右邊是德州儀器（TI）的無人機(jī)ESC的高速無傳感器FOC參考設(shè)計(jì)，而左邊是其框圖。（來源：德州儀器）

四旋翼動力

無人機(jī)的機(jī)械簡單性和空氣動力學(xué)穩(wěn)定性與電動機(jī)及其操縱的協(xié)調(diào)使用有關(guān)。在四軸飛行器中，位于結(jié)構(gòu)對角線上的一對電動機(jī)沿與其他兩個(gè)電動機(jī)相同的方向但相反的方向旋轉(zhuǎn)。如果所有四個(gè)電機(jī)都以相同的速度旋轉(zhuǎn)，則無人機(jī)可以爬升，下降或保持水平飛行。如果對角線的旋轉(zhuǎn)速度快于另一對角線，則無人駕駛飛機(jī)將繞其重心旋轉(zhuǎn)并保持在同一水平面內(nèi)（圖3）。

圖3：無人機(jī)使用轉(zhuǎn)子速度的不同組合來執(zhí)行機(jī)動。（來源：意法半導(dǎo)體）

如果您更改頭（或尾）旋翼的速度，則無人機(jī)將像固定翼飛機(jī)向下俯沖那樣指向上方或下方。左右扭矩調(diào)整將導(dǎo)致無人機(jī)滾動，使其繞其軸旋轉(zhuǎn)。由無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)來改變合適的旋翼的速度，以達(dá)到完成所需機(jī)動所需的飛行高度。

對于控制工程師而言，速度校正是一個(gè)常見的控制回路反饋問題，可通過比例積分微分（PID）控制器解決。

設(shè)計(jì)電調(diào)

為無人機(jī)設(shè)計(jì)ESC時(shí)，需要專門設(shè)計(jì)用于控制高RPM電機(jī)（12,000+ RPM）的高質(zhì)量組件。德州儀器（TI）開發(fā)了一個(gè)名為InstaSPIN的MCU系列，可簡化三相電機(jī)控制應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。適用于無傳感器系統(tǒng)的InstaSPIN-FOC具有快速軟件編碼器，該軟件編碼器具有適用于任何三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度控制。InstaSPIN-MOTION適用于無傳感器系統(tǒng)，可為任何三相電動機(jī)提供位置，速度和轉(zhuǎn)矩控制。

TI提供了這些示波器的完整參考設(shè)計(jì)，其中包括InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION電機(jī)控制技術(shù)。該平臺包括一個(gè)32位TI C2000 InstaSPIN微控制器。它使開發(fā)人員能夠識別，自動調(diào)節(jié)和控制三相電動機(jī)，從而快速提供穩(wěn)定且功能強(qiáng)大的電動機(jī)控制系統(tǒng)。

STMicroelectronics提供了完整的ESC參考設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無傳感器FOC算法。STEVAL-ESC001V1 ESC參考設(shè)計(jì)適用于入門級商用無人機(jī)設(shè)計(jì)，并驅(qū)動由6S LiPo電池組或任何等效的直流電源供電的任何三相無刷電動機(jī)（或PMSM），峰值電流最高為30A。STEVAL-ESC001V1借助完整的預(yù)配置固件包（STSW-ESC001V1），使設(shè)計(jì)人員能夠快速開發(fā)其應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了無傳感器的磁場定向控制算法，該算法具有三路電流讀數(shù)，速度控制和完全主動制動功能。STSW-ESC001V1固件/軟件包以及STM32 PMSM FOC軟件開發(fā)套件MC庫允許通過作用于STM32 MCU中嵌入的FOC參數(shù)來優(yōu)化ESC設(shè)計(jì)，并利用ST電機(jī)分析器快速檢索相關(guān)的電機(jī)參數(shù)。意法半導(dǎo)體的無傳感器FOC算法可適用于任何三相BLDC或PMSM電機(jī)應(yīng)用，提供更長的飛行時(shí)間和最佳的動態(tài)性能（圖4和5）。

圖4：意法半導(dǎo)體的STEVAL-ESC001V1解決方案的框圖（來源：意法半導(dǎo)體）

圖5：意法半導(dǎo)體的STEVAL-ESC001V1板（來源：意法半導(dǎo)體）

該HoverGames無人機(jī)開發(fā)平臺，可用于構(gòu)建任何自主車型，從無人機(jī)和流浪者無人機(jī)模塊化和靈活的恩智浦的硬件/軟件解決方案。該開發(fā)套件主要基于具有Linux和Open CV的微處理器以及各種用于指導(dǎo)飛行的傳感器。

飛行控制器確保無人機(jī)保持穩(wěn)定。該開發(fā)板是開源的，可以插入其他外部傳感器以根據(jù)功能優(yōu)化操作。

必須使用IoT連接之一來實(shí)現(xiàn)LiPo電池和特定國家/地區(qū)的遙測無線電。要獲得套件的全部功能，您將需要選擇要購買的兩個(gè)遙測無線電中的哪一個(gè)。通過遙測，您可以在飛行過程中與車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)連接，并可以在飛行過程中查看無人機(jī)的狀態(tài)，進(jìn)行裝載，控制自主航路點(diǎn)并進(jìn)行必要的更改。遙測數(shù)據(jù)被發(fā)送到控制站，但也被存儲在飛行單元的機(jī)上。

套件組件還包括DC-DC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)試分線板，BLDC無刷電動機(jī)2212 920 kV和ESC電動機(jī)控制器40 A OPTO（圖6）。

圖6：RDDRONE-FMUK66飛行單元（來源：NXP）