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無人機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是能夠控制電機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)無人機(jī)由無刷直流電機(jī)供電，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，包括電源級(jí)、電流感應(yīng)電路、微控制器以及與飛行控制系統(tǒng)的通信接口，因此成為無人機(jī)的基礎(chǔ)。本文將介紹設(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)需要仔細(xì)評(píng)估和分析特性，可以總結(jié)如下：
無人機(jī)上可以安裝兩種類型的無刷電機(jī)：無刷直流電機(jī) (BLDC) 和無刷交流電機(jī) (BLAC)，也稱為永磁同步電機(jī) (PMSM)。選擇使用哪種類型的電機(jī)受所選控制算法的影響，可以是梯形控制或磁場定向控制 (FOC)。梯形電機(jī)控制算法具有以下主要特點(diǎn)：
- 基于六相開關(guān)順序的電機(jī)控制
- 轉(zhuǎn)子磁角檢測，用于設(shè)置正確的角度；每一步對(duì)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(dòng)勢(shì)相電壓來估計(jì)開關(guān)角
FOC控制算法，另一方面，具有以下特點(diǎn)：
- 通過正弦相電壓或電流 (FOC) 控制電機(jī)
- 轉(zhuǎn)子角度檢測精度為 1° 至 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(jī)的磁角是根據(jù)電機(jī)相電壓和電流估算的。它的位置是通過監(jiān)測電機(jī)的某些電氣參數(shù)來確定的，而無需使用額外的傳感器。無人機(jī)中最常用的類型是無刷直流電機(jī)，因?yàn)樗w積小、成本相對(duì)較低、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)電機(jī)專門使用一個(gè) ESC。所有電調(diào)都必須能夠通過飛控直接或間接地相互通信，以便輕松控制無人機(jī)。每個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向也很重要：在四軸飛行器中，一對(duì)電機(jī)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而另一對(duì)則朝相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
ESC 制造商最常用的電機(jī)控制技術(shù)是磁場定向控制，一種控制電機(jī)扭矩和速度的技術(shù)。如果實(shí)施得當(dāng)，F(xiàn)OC 甚至可以處理快速的加速度變化而不會(huì)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(dòng)，同時(shí)最大限度地提高效率。
下面圖 1 中的框圖顯示了一個(gè) FOC 架構(gòu)，其中包括以下組件：
- 由兩個(gè)積分比例控制器組成的電流控制器
- 可選的外部環(huán)路速度控制器和參考電流發(fā)生器
- Clarke、Park 和逆 Park 變換，用于從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換
- 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(hào)的空間矢量調(diào)制器算法
- 保護(hù)和輔助功能，包括啟動(dòng)和關(guān)閉邏輯
- 如果需要無傳感器控制，可選觀測器來估計(jì)轉(zhuǎn)子的角位置
圖 1：磁場定向控制框圖（來源：Mathworks）設(shè)計(jì) FOC 的電機(jī)控制工程師執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，包括為電流環(huán)路開發(fā)具有兩個(gè) PI 控制器的控制器架構(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，同步電機(jī)（BLDC 或 BLAC）通過控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)，并假定遵循指令控制動(dòng)作。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電路能夠檢查電機(jī)是否按預(yù)期運(yùn)動(dòng)。如果不是，控制系統(tǒng)會(huì)通過減少或增加電流來自動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過度或運(yùn)動(dòng)不足。
當(dāng)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(hào)。圖 2 顯示了一個(gè)典型的測量設(shè)置，適用于梯形和正弦控制系統(tǒng)。通過使用無傳感器算法的梯形控制，無傳感器算法使用三相電壓來計(jì)算轉(zhuǎn)子角度。
圖 2：帶有無傳感器電機(jī)控制的 ESC。右側(cè)是德州儀器 (TI) 的無人機(jī)電調(diào)高速無傳感器 FOC 參考設(shè)計(jì)，左側(cè)是其框圖。（來源：德州儀器）
四軸飛行器動(dòng)力學(xué)
無人機(jī)的機(jī)械簡單性和空氣動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性與電機(jī)及其機(jī)動(dòng)的協(xié)調(diào)使用有關(guān)。在四軸飛行器中，位于結(jié)構(gòu)對(duì)角線上的一對(duì)電機(jī)與其他兩個(gè)電機(jī)同向轉(zhuǎn)動(dòng)，但方向相反。如果所有四個(gè)電機(jī)以相同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，無人機(jī)可以爬升、下降或保持水平飛行。如果對(duì)角線對(duì)的轉(zhuǎn)彎速度比另一對(duì)快，則無人機(jī)將圍繞其重心旋轉(zhuǎn)并保持在同一水平面內(nèi)（圖 3）。
圖 3：無人機(jī)使用不同的轉(zhuǎn)子速度組合來執(zhí)行機(jī)動(dòng)。（來源：意法半導(dǎo)體）
如果你改變頭（或尾）旋翼的速度，無人機(jī)會(huì)像固定翼飛機(jī)俯沖一樣向上或向下。向左或向右調(diào)整扭矩會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)滾動(dòng)，使其繞其軸旋轉(zhuǎn)。由無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)改變適當(dāng)?shù)男硭俣纫赃_(dá)到完成所需機(jī)動(dòng)所需的飛行高度。
對(duì)于控制工程師來說，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 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)了一系列 MCU，稱為 InstaSPIN，可簡化三相電機(jī)控制應(yīng)用的設(shè)計(jì)。InstaSPIN-FOC 適用于無傳感器系統(tǒng)，具有適用于任何三相電機(jī)的扭矩和速度控制的快速軟件編碼器。InstaSPIN-MOTION 針對(duì)無傳感器系統(tǒng)，可為任何三相電機(jī)提供位置、速度和扭矩控制。
這些示波器的完整參考設(shè)計(jì)由 TI 提供，包括 InstaSPIN-FOC 和 InstaSPIN-MOTION 電機(jī)控制技術(shù)。該平臺(tái)包括一個(gè) 32 位 TI C2000 InstaSPIN 微控制器。它允許開發(fā)人員識(shí)別、自動(dòng)調(diào)整和控制三相電機(jī)，快速提供穩(wěn)定且功能強(qiáng)大的電機(jī)控制系統(tǒng)。
STMicroelectronics 提供完整的 ESC 參考設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無傳感器 FOC 算法。STEVAL-ESC001V1 電調(diào)參考設(shè)計(jì)適用于入門級(jí)商用無人機(jī)設(shè)計(jì)，可驅(qū)動(dòng)任何由 6S 鋰聚合物電池組或任何等效直流電源供電的三相無刷電機(jī)（或 PMSM），峰值電流高達(dá) 30 A。借助完整的預(yù)配置固件包 (STSW-ESC001V1)，STEVAL-ESC001V1 允許設(shè)計(jì)人員快速開發(fā)他們的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)具有三分流電流讀數(shù)、速度控制和完全主動(dòng)制動(dòng)的無傳感器磁場定向控制算法。STSW-ESC001V1 固件/軟件包加上 STM32 PMSM FOC 軟件開發(fā)套件 MC 庫允許通過對(duì)嵌入在 STM32 MCU 中的 FOC 參數(shù)起作用來優(yōu)化 ESC 設(shè)計(jì)，并利用 ST 電機(jī)分析器快速檢索相關(guān)電機(jī)參數(shù)。ST 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)間和最佳動(dòng)態(tài)性能（圖 4 和 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）
該HoverGames無人機(jī)開發(fā)平臺(tái)，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)套件本質(zhì)上基于帶有 Linux 和 Open CV 的微處理器以及用于引導(dǎo)飛行的各種隨附傳感器。
飛行控制器確保無人機(jī)保持穩(wěn)定。該板是開源的，可以插入其他外部傳感器以根據(jù)功能優(yōu)化操作。
必須使用其中一個(gè) IoT 連接來實(shí)施 LiPo 電池和特定于國家/地區(qū)的遙測無線電。要獲得套件的完整功能，您需要選擇要購買的兩個(gè)可用遙測無線電中的哪一個(gè)。通過遙測，您可以在飛行過程中實(shí)時(shí)連接到車輛，并可以在飛行過程中查看無人機(jī)的狀態(tài)、加載和控制自主航點(diǎn)并進(jìn)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(chǔ)在飛行單元中。
套件組件還包括 DC-DC 電源模塊、帶支架的 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 無刷電機(jī) 2212 920 kV，和 ESC 電機(jī)控制器 40 A OPTO（圖 6）。
圖 6：RDDRONE-FMUK66 飛行單元（來源：NXP）
審核編輯：劉清
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