「行業(yè)資訊」無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)電子穩(wěn)定控制模塊的設(shè)計(jì)

無人機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是能夠控制馬達(dá)的速度和旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)無人機(jī)的動(dòng)力來自無刷直流電動(dòng)機(jī)，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(jí)、電流感測(cè)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(jī)的基礎(chǔ)。本文將介紹設(shè)計(jì)電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)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(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要對(duì)其特性進(jìn)行仔細(xì)的評(píng)估和分析，總結(jié)如下：

• 安裝在無人機(jī)上的電池

• 電動(dòng)機(jī)

• 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機(jī)：無刷直流電機(jī)（bldc）和無刷交流電機(jī)（BLACs），也稱為永磁同步電機(jī)（pmsm）。選擇哪種電機(jī)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(chǎng)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)序列的電機(jī)控制

• 檢測(cè)轉(zhuǎn)子的磁角，用于設(shè)置正確的角度；每一步對(duì)應(yīng)一個(gè)60°角

• 在無位置傳感器控制系統(tǒng)中，開關(guān)角是通過測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)相位電壓來估計(jì)的

另一方面，F(xiàn)OC控制算法具有以下特點(diǎn)：

• 通過正弦相位電壓或電流（FOC）控制電機(jī)

• 轉(zhuǎn)子角度檢測(cè)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(jī)的磁角是根據(jù)電機(jī)的相電壓和電流來估計(jì)的。它的位置是通過監(jiān)測(cè)電機(jī)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(dòng)機(jī)是無刷直流電動(dòng)機(jī)中最常見的一種，因?yàn)樗w積小、成本低、耐久性和魯棒性強(qiáng)。

大多數(shù)無人機(jī)至少有四個(gè)電機(jī)，四個(gè)電機(jī)版本是使用最多的。電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制每臺(tái)電機(jī)的速度，因此，最常見的無人機(jī)架構(gòu)涉及到為每個(gè)電機(jī)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(jī)。每一個(gè)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向也很重要：在四角機(jī)上，一對(duì)馬達(dá)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而另一對(duì)馬達(dá)則朝相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

ESC制造商最常用的電機(jī)控制技術(shù)是磁場(chǎng)定向控制，一種控制電機(jī)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(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性，允許無人機(jī)執(zhí)行復(fù)雜的機(jī)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(gòu)，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(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(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，估計(jì)轉(zhuǎn)子角位置的可選觀測(cè)器

圖1：現(xiàn)場(chǎng)控制框圖（來源：Mathworks）

設(shè)計(jì)FOC的電機(jī)控制工程師要完成幾個(gè)任務(wù)，包括為電流環(huán)開發(fā)兩個(gè)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(jì)一個(gè)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(dòng)機(jī)（BLDC或BLAC）是通過控制信號(hào)驅(qū)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(tǒng)中，電路能夠檢查電機(jī)是否按預(yù)期運(yùn)動(dòng)。否則，控制系統(tǒng)會(huì)通過減小或增加電流來自動(dòng)補(bǔ)償過度或不足的運(yùn)動(dòng)。

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(cè)量電流和電壓作為反饋信號(hào)。圖2顯示了一個(gè)典型的測(cè)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(jì)算轉(zhuǎn)子角。

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

無人機(jī)的機(jī)械簡單性和空氣動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性與發(fā)動(dòng)機(jī)及其操縱的協(xié)調(diào)使用有關(guān)。在四軸直升機(jī)中，位于結(jié)構(gòu)對(duì)角線上的一對(duì)電機(jī)與另兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向方向相同，但方向相反。如果所有四個(gè)馬達(dá)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)動(dòng)速度比另一對(duì)快，無人機(jī)就會(huì)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(jī)使用不同的旋翼速度組合來執(zhí)行機(jī)動(dòng)。（來源：STMicroelectronics）

如果改變頭部（或尾部）旋翼的速度，無人機(jī)將像固定翼飛機(jī)俯沖一樣向上或向下指向。左或右扭矩調(diào)整將導(dǎo)致無人機(jī)滾動(dòng)，使其繞軸旋轉(zhuǎn)。由無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)來改變適當(dāng)?shù)男硭俣龋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，它通過比例、積分、微分（PID）控制器來解決。

為無人機(jī)設(shè)計(jì)電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)需要高質(zhì)量的部件，專門設(shè)計(jì)用于控制高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)（12000轉(zhuǎn)/分）。德州儀器公司開發(fā)了一個(gè)名為InstaSPIN的mcu家族，簡化了三相電機(jī)控制應(yīng)用程序的設(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)的轉(zhuǎn)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)，為任何三相電機(jī)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(jì)，包括InstaSPIN FOC和InstaSPIN運(yùn)動(dòng)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)定和功能正常的電機(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 ESC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)任何三相無刷電機(jī)（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(dá)30A。STEVAL-ESC001V1通過一個(gè)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)用程序，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無傳感器磁場(chǎng)定向控制算法，具有三個(gè)分流電流讀數(shù)、速度控制和全主動(dòng)制動(dòng)。STSW-ESC001V1固件/軟件包加上STM32 PMSM FOC軟件開發(fā)工具包MC庫，可通過對(duì)嵌入在STM32 MCU中的FOC參數(shù)進(jìn)行操作來優(yōu)化ESC設(shè)計(jì)，并利用ST motor profiler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無刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)應(yīng)用，提供更長的飛行時(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（來源：STMicroelectronics）

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

這個(gè) 主無人機(jī)開發(fā)平臺(tái)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輛，從無人機(jī)、漫游車到無人機(jī)。開發(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引導(dǎo)飛行。

飛行控制器確保無人機(jī)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(gè)物聯(lián)網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)LiPo電池和特定國家的遙測(cè)無線電。要獲得套件的完整功能，您需要選擇購買兩個(gè)可用遙測(cè)無線電設(shè)備中的哪一個(gè)。通過遙測(cè)，您可以在飛行過程中與飛行器建立實(shí)時(shí)連接，并且可以在飛行過程中查看無人機(jī)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(cè)數(shù)據(jù)被發(fā)送到控制站，但也存儲(chǔ)在飛機(jī)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(jī)2212 920 kV和ESC電機(jī)控制器40 A光電管（圖6）。

圖6:RDDRONE-FMUK66飛行單元（來源：NXP）