无人机电子速度控制器的设计注意事项

作者：Stefano Lovati 

无人机的扩散不断增长，其应用范围广泛，从业余爱好到商业和工业领域，再到最先进的军事应用。无人机的优点是能够远程操作，因此可以飞越难以亲近，危险或不便的区域。在商业领域中的应用是多种多样的：农业，植物和建筑物的监控，射击区域，甚至是包装，药品或必需品的交付。在未来几年中，很可能会发现无人驾驶飞机的新用途和进一步用途，届时它们将不再被视为玩具或小工具，而是被视为改善我们生活质量的宝贵工具。

电子速度控制

本文重点介绍通常配备无刷直流电动机的中型和高级无人机。这类电动机需要仔细连续地调节速度和相对旋转方向。在某些情况下，还需要实现真正的动态制动。负责这些功能的电路是ESC（电子速度控制器），通常由电源级，用于检测电流的电路，微控制器和与飞行控制器的通信接口组成（图1）。ESC的设计涉及以下一系列重要功能：

用于电机控制的拓扑；
在成本和效率之间折衷（因此需要时间）；
无人机上安装的电池类型；
所需的性能（例如，最大可控电动机速度）；
电磁兼容性（EMC）和抗干扰性。

图1：无人驾驶飞机的方框图

有两种适用于无人机的无刷电动机：DC无刷电动机（BLDC）和AC无刷电动机（BLAC），也称为永磁同步电动机（PMSM）。使用哪种类型的电动机通常取决于所选的控制算法：梯形或磁场定向控制（FOC）。更准确地说，梯形电动机控制算法具有以下特征：

基于六步换向序列的电机控制；
检测转子的磁角，以正确的角度进行换向（每个步骤对应于60度角）；
在没有传感器的情况下，换向角通过测量相电压反电动势来估算。

相反，FOC控制算法具有以下功能：

通过正弦相电压或电流（FOC）控制电机；
以1至5度之间的最小精度检测转子的磁场角，以始终确保最大转矩；
在没有传感器的情况下，转子磁角是根据电动机的相电压和电流估算的。

与基于机械速度传感器的替代方案相比，无传感器控制系统通常更为可取，因为它可以保持较低的项目成本并有助于提高系统的鲁棒性。

设计注意事项

用于在不同功率级之间进行换向的PWM信号根据所选控制的类型而变化。图2显示了去除PWM载波后获得的滤波后的相电压，涉及梯形和正弦电动机控制技术的情况。

图2：用于梯形和正弦换向的波形比较

由于每个相之间的突然变化，梯形控制会受到问题（问题）的影响，这会产生转矩波动和电流尖峰，从而降低效率并产生振动。在电级别，ESC的DC总线电压在7.4V和22.4V之间，而锂聚合物电池（LiPo）的电流在10A和20A之间。为了将干扰降到最低，用于相之间换相的PWM频率在30kHz至60kHz之间。一旦选择了控制算法，就必须决定是在开环还是闭环中进行控制。

图3：具有无传感器控制的无刷电机的ESC

闭环控制是优选的，因为通过测量使电动机执行期望的位移所需的电流，相对于开环解决方案可以获得更高的效率和精度。在梯形控制的情况下，仅必须测量一个并联电流，而在正弦控制的情况下，必须测量多达三个并联电流（图3）。使用闭环控制时，必须对算法进行调整，以使电动机在高转速下（即超过12kRPM）保持稳定。

商用无人机解决方案

用于无人机的ESC设计需要高级组件，这些组件专门设计用于以最大速度驱动高速电动机。德州仪器（TI）开发了一个名为InstaSPIN的MCU系列，这使三相电机控制应用的设计更加容易。适用于无传感器系统的InstaSPIN-FOC具有快速软件编码器，可对任何三相电动机进行转矩和速度控制。取而代之的是将InstaSPIN-MOTION用于传感器系统，并为任何三相电动机提供位置，速度和转矩控制。除MCU之外，TI还提供其他适用于ESC设计的产品，例如NexFET系列功率MOSFET和带有三个集成式电流分流放大器的DRV8305三相栅极驱动器。

InstaSPIN随附高压电机控制套件，这是用于学习和试验高压电机数字控制的完整参考设计。该平台基于革命性的InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION电机控制技术，包含TI C2000 InstaSPIN 32位微控制器（图4）。它使开发人员可以快速识别，自动调整和控制三相电动机，从而快速提供稳定且功能强大的电动机控制系统。该套件是出色的全方位电机逆变器设计工具，展示了对最常见类型的高压三相电机（包括交流感应（ACI），无刷直流（BLDC）和永磁体）的无传感器和基于编码器的控制同步电动机（PMSM和IPM）。

意法半导体还为电子速度控制器（ESC）提供了完整的参考设计，实现了无传感器FOC算法。适用于电子速度控制器的STEVAL-ESC001V1参考设计适用于入门级商用无人机设计，并驱动由6S LiPo电池组或任何等效的直流电源供电的任何三相无刷（或PMSM）电动机，峰值电流高达30 A 。该STEVAL-ESC001V1借助完整的预配置固件包（STSW-ESC001V1），设计人员可以实现无传感器的磁场定向控制算法，该算法具有3分流电流读取，速度控制和完全主动制动功能，从而使设计人员能够快速开发其应用程序。参考设计板可以通过PWM信号接受来自飞行控制器的命令，但也可以使用其他通信接口，例如UART，CAN和I²C。

图4：DRV8305的简化电路

该参考文献包括工作在5V电压的电池消除器电路，用于温度测量的NTC传感器以及用于过流和过压保护（OCP / OVP）的电路。小巧的外形和电流能力使该参考设计适用于小型轻型无人机（如专业无人机）上的电子速度控制器。STSW-ESC001V1固件/软件包以及STM32 PMSM FOC软件开发套件– MC库可通过作用于STM32 MCU中嵌入的磁场定向控制参数来优化电子速度控制器设计，并利用ST电动机轮廓仪来检索相关电动机参数迅速。ST无传感器FOC算法适合任何三相BLDC或PMSM电机应用，从而确保更长的飞行时间和最佳的动态性能。

结论

无人机电子速度控制器对于在中小型商业无人机中提供电动机速度控制至关重要。使用最广泛的解决方案之一是基于用于控制三相无刷电动机的无传感器FOC技术。对于具有更高精度和更好速度控制器的传感解决方案，无传感器解决方案具有成本低，重量轻的优点，这是任何中小型无人机的两个关键因素。