無人機(jī)ESC高速無傳感器FOC參考設(shè)計(jì)

ESC模塊是非軍用無人機(jī)中非常重要的子系統(tǒng)；如果用戶需要更高效的機(jī)型來實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的飛行時(shí)間、更好的動(dòng)態(tài)行為和更加平順、穩(wěn)定的性能，那么非常適合使用此類模塊。TI的設(shè)計(jì)采用了通常用于無人飛行器(UAV)或無人機(jī)的電子調(diào)速器(ESC)。

速度控制通過無傳感器的方式完成，并使用FOC速度控制技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行了電氣頻率高達(dá)1.2kHz(對(duì)于6極對(duì)電機(jī)而言為12kRPM)的測(cè)試。

無人機(jī) ESC高速無傳感器FOC參考設(shè)計(jì)擁有一流的FOC算法實(shí)施，可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的飛行時(shí)間、更佳的動(dòng)態(tài)性能，且具有更高的集成度，因此電路板尺寸更小，BOM組件更少。

無傳感器高速FOC控制技術(shù)使用TI的FATM軟件觀測(cè)器，利用了InstaSPIN-MotionTM C2000TM LaunchPadTM和DRV8305 BoosterPackTM。

特性

InstaSPIN-FOC?無傳感器FOC可實(shí)現(xiàn)更高的動(dòng)態(tài)性能。經(jīng)測(cè)試高達(dá)12,000 RPM（使用3節(jié)鋰聚合物電池）；

高動(dòng)態(tài)性能：在不到0.2s時(shí)間內(nèi)達(dá)到1 kRPM到10 kRPM（電氣頻率100Hz至1kHz）轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)高性能偏轉(zhuǎn)和俯仰動(dòng)作；

適于完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作的快速翻轉(zhuǎn)能力；

由于塊交換上更高的FOC效率，可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的飛行時(shí)間；

更高的PWM開關(guān)頻率（經(jīng)測(cè)試高達(dá)60kHz），可針對(duì)低電感高速電機(jī)降低電流/扭矩紋波，并且可以避免超聲波傳感器；

由于InstaSPIN-FOC的自動(dòng)電機(jī)參數(shù)識(shí)別，縮短了上市時(shí)間：自動(dòng)調(diào)優(yōu)無傳感器FOC解決方案；

針對(duì)繞組電阻變化進(jìn)行電機(jī)溫度估算，以保護(hù)電機(jī)在臨時(shí)過載情況下免受損壞。

應(yīng)用領(lǐng)域

無人機(jī)和UAV

高速電機(jī)

電池供電的電動(dòng)工具

1.系統(tǒng)說明

就無人機(jī)而言，完整無人機(jī)飛行系統(tǒng)包含的不同子系統(tǒng)通常涉及到以下模塊定義。

無人機(jī)飛行系統(tǒng)模塊

（1）無人機(jī)的ESC功能要求

ESC定義了無人機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)性能和飛行時(shí)間。無人機(jī)必須能夠完成的一些運(yùn)動(dòng)模式包括:

精確運(yùn)動(dòng)模式:航行、懸停

快速運(yùn)動(dòng)模式:沿x/y/z方向360°旋轉(zhuǎn)、水平最高速度飛行、垂直最高速度飛行

為了提供這些功能，需要使用優(yōu)秀的ESC來控制所用電機(jī)在所有速度下產(chǎn)生的升力。這樣一來，基于位置傳感器模塊的穩(wěn)定算法可以補(bǔ)償影響無人機(jī)的振動(dòng)和外力。

能夠改變的電機(jī)速度越快，穩(wěn)定算法需要執(zhí)行的速度變化就越少；因此，使用的能量少于無人機(jī)以高度變化的速度運(yùn)行的情況下(使用動(dòng)態(tài)性較差的ESC時(shí)便屬于這種情況)所需的能量。

（2）正弦控制型ESC模塊

以1到5度的最小精度測(cè)量轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)角度，從而使用FOC算法確保最大扭矩，或根據(jù)電機(jī)的相電壓和相電流估算轉(zhuǎn)子磁角(無傳感器算法)。

下圖顯示三個(gè)相位的典型PWM高側(cè)和低側(cè)圖形，并顯示了以正弦控制方式運(yùn)行電機(jī)時(shí)消除PWM載波后的相應(yīng)理想濾波相電壓。

生成理想的PWM正弦相電壓

在開環(huán)控制中，同步電機(jī)(BLDC或BLAC)由控制信號(hào)進(jìn)行盲目驅(qū)動(dòng)，并假定該電機(jī)會(huì)跟隨指定的控制動(dòng)作。

為確保電機(jī)正確運(yùn)行，需要在繞組上施加比理想電流更大的電流來強(qiáng)制該運(yùn)動(dòng)。最終，這是開環(huán)控制電機(jī)與閉環(huán)控制電機(jī)相比系統(tǒng)效率降低的主要原因。

在閉環(huán)控制中，電機(jī)控制系統(tǒng)能夠測(cè)試電機(jī)是否按照預(yù)期運(yùn)行。如果不能按預(yù)期運(yùn)行，控制環(huán)路會(huì)自動(dòng)通過減少或增加電流進(jìn)行補(bǔ)償。

無論是使用閉環(huán)控制還是使用無傳感器算法，都必須測(cè)量電流和電壓信號(hào)，以便將這些信號(hào)用作反饋信號(hào)。

對(duì)于正弦控制，應(yīng)測(cè)量最多三個(gè)分流電流。進(jìn)行電壓測(cè)量時(shí)，應(yīng)選擇僅測(cè)量DC link電壓還是同時(shí)測(cè)量三相電壓和DC link電壓。

（3）電子調(diào)速器(ESC)

無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度必須按照無人機(jī)的重量和螺旋槳的尺寸確定，以便產(chǎn)生無人機(jī)飛行所需的升力。為無人機(jī)設(shè)計(jì)的典型三相無刷電機(jī)具有以下常見特性:

低電感

低電阻

兩到八個(gè)極對(duì)

1000Hz或更高的電氣頻率

該電機(jī)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，可由包含兩節(jié)至六節(jié)電池(即7.4V至22.2V直流電壓)的鏗聚合物電池供電。這些電壓用于設(shè)計(jì)所選電機(jī)的最大速度。

此處的一個(gè)常見問題是以最大速度運(yùn)行接近Veus的電機(jī)，因?yàn)榇颂幍腇OC算法和無傳感器算法都必須足夠出色才能支持此運(yùn)行方式。

本報(bào)告中使用的ESC適用于使用無傳感器算法的三相無刷電機(jī)。該ESC模塊的組件如下圖所示。

無人機(jī)ESC的框圖

2.系統(tǒng)規(guī)格

本系統(tǒng)需要一個(gè)具有感能力的三相半橋功率級(jí)，以便生成無傳感器算法所需的反饋信號(hào)。

此功率級(jí)必須由包含兩節(jié)至六節(jié)電池(即Veus為7.4V至22.2V)的鏗聚合物電池供電。

由于電機(jī)和依賴于頻率的傳感器具有較低的時(shí)間常數(shù)，因此PWM頻率較高；典型的電流設(shè)計(jì)使用大約45kHz至60kHz的PWM頻率，并有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)。其次需要一種與飛行控制器通信的方式，可使用占空比或串行通信方式完成。

3.原理方框圖

系統(tǒng)方框圖

4.核心器件

（1）TM S320F2806xF

F2806xF PiccoloTM系列微控制器(MCU)將C28x內(nèi)核和控制律加速器(CLA)的性能與高度集成的控制外設(shè)整合到低引腳數(shù)的器件中。

一個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)了單電源軌運(yùn)行。高分辨率脈寬調(diào)制器(HRPWM)模塊經(jīng)過強(qiáng)化以實(shí)現(xiàn)雙邊沿控制(頻率調(diào)制)。該器件內(nèi)還新增了采用10位內(nèi)部基準(zhǔn)的模擬比較器，可通過與其直接相連來控制ePWM輸出。

ADC可在OV至3.3V的固定滿量程范圍內(nèi)實(shí)施轉(zhuǎn)換，并支持比例式 VREFHI/VREFLO基準(zhǔn)。ADC接口已針對(duì)低開銷和延遲進(jìn)行了優(yōu)化。

該器件在專用于執(zhí)行的ROM中包含專用的電機(jī)控制軟件以實(shí)現(xiàn)InstaSPIN-FOC 解決方案，并通過MotorWare提供系統(tǒng)軟件支持。

（2）DRV8305

DRV8305是一款適用于三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的柵極驅(qū)動(dòng)器IC而設(shè)計(jì)。該器件提供三個(gè)高精度修整和溫度補(bǔ)償?shù)陌霕?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)高側(cè)和低側(cè)增強(qiáng)模式N溝MOSFET。

DRV8305具有三個(gè)基于電流器的電流檢測(cè)放大器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的精確測(cè)量，支持100%占空比，并且具有多級(jí)保護(hù)。通過串行外設(shè)接口(SPI)可以對(duì)該柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行編程。

（3）LMR16006

該P(yáng)WM直流/直流降壓穩(wěn)壓器具有4V至60V的寬輸入電壓范圍，適用于從工業(yè)到汽車的廣泛應(yīng)用中非穩(wěn)壓電源的電源調(diào)節(jié)。該穩(wěn)壓器在ECO模式下的待機(jī)電流為28μA，非常適合電池供電類系統(tǒng)。

（4）CSD18540Q5B

這款款 60V 1.8mΩ SON 5mm×6mm NexFET? 功率MOSFET可用于最大限度地降低電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的損耗。

BOM物料清單

5.PCB

下圖分別顯示了LaunchPad和BoosterPack PCB的頂部和底部圖片。

完整系統(tǒng)電路板圖片(頂視圖)

LaunchPad電路板圖片(頂視圖)

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