無人機設計的關(guān)鍵是能夠控制電機的速度和旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)無人機由無刷直流電機供電，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、電流感應電路、微控制器以及與飛行控制系統(tǒng)的通信接口，因此成為無人機的基礎。本文將介紹設計 ESC 以及市場開發(fā)解決方案時要考慮的重要因素。

電機控制

ESC 的設計需要仔細評估和分析特性，可以總結(jié)如下：

• 安裝在無人機上的電池
• 馬達
• 可用預算
• 電磁兼容性 (EMC) 和抗干擾性

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

• 基于六相開關(guān)順序的電機控制
• 轉(zhuǎn)子磁角檢測，用于設置正確的角度；每一步對應一個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計開關(guān)角

FOC控制算法，另一方面，具有以下特點：

• 通過正弦相電壓或電流 (FOC) 控制電機
• 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，電機的磁角是根據(jù)電機相電壓和電流估算的。它的位置是通過監(jiān)測電機的某些電氣參數(shù)來確定的，而無需使用額外的傳感器。無人機中最常用的類型是無刷直流電機，因為它體積小、成本相對較低、耐用性和魯棒性高。

大多數(shù)無人機至少有四個電機，其中最常用的是四電機版本。ESC 負責控制每個電機的速度，因此，最常見的無人機架構(gòu)涉及為每個電機專門使用一個 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。每個電機旋轉(zhuǎn)的方向也很重要：在四軸飛行器中，一對電機朝一個方向轉(zhuǎn)動，而另一對則朝相反方向轉(zhuǎn)動。

ESC 制造商最常用的電機控制技術(shù)是磁場定向控制，一種控制電機扭矩和速度的技術(shù)。如果實施得當，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，從而使無人機能夠執(zhí)行復雜的機動，同時最大限度地提高效率。

下面圖 1 中的框圖顯示了一個 FOC 架構(gòu)，其中包括以下組件：

• 由兩個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，用于從靜止坐標系到旋轉(zhuǎn)同步坐標系的轉(zhuǎn)換
• 將 vα 和 vβ 命令轉(zhuǎn)換為應用于定子繞組的脈寬調(diào)制信號的空間矢量調(diào)制器算法
• 保護和輔助功能，包括啟動和關(guān)閉邏輯
• 如果需要無傳感器控制，可選觀測器來估計轉(zhuǎn)子的角位置

設計 FOC 的電機控制工程師執(zhí)行多項任務，包括為電流環(huán)路開發(fā)具有兩個 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，以及設計空間矢量調(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)之間進行選擇。在開環(huán)控制中，同步電機（BLDC 或 BLAC）通過控制信號驅(qū)動，并假定遵循指令控制動作。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電路能夠檢查電機是否按預期運動。如果不是，控制系統(tǒng)會通過減少或增加電流來自動補償運動過度或運動不足。

當使用閉環(huán)或開環(huán)（無傳感器）控制系統(tǒng)時，必須測量電流和電壓以用作反饋信號。圖 2 顯示了一個典型的測量設置，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算轉(zhuǎn)子角度。

四軸飛行器動力學

無人機的機械簡單性和空氣動力學穩(wěn)定性與電機及其機動的協(xié)調(diào)使用有關(guān)。在四軸飛行器中，位于結(jié)構(gòu)對角線上的一對電機與其他兩個電機同向轉(zhuǎn)動，但方向相反。如果所有四個電機以相同的速度轉(zhuǎn)動，無人機可以爬升、下降或保持水平飛行。如果對角線對的轉(zhuǎn)彎速度比另一對快，則無人機將圍繞其重心旋轉(zhuǎn)并保持在同一水平面內(nèi)（圖 3）。

如果你改變頭（或尾）旋翼的速度，無人機會像固定翼飛機俯沖一樣向上或向下。向左或向右調(diào)整扭矩會導致無人機滾動，使其繞其軸旋轉(zhuǎn)。由無人機的飛行控制系統(tǒng)改變適當?shù)男硭俣纫赃_到完成所需機動所需的飛行高度。

對于控制工程師來說，速度校正是一個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。

設計電調(diào)

為無人機設計 ESC 需要專門設計用于控制高 RPM 電機（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，可簡化三相電機控制應用的設計。InstaSPIN-FOC 適用于無傳感器系統(tǒng)，具有適用于任何三相電機的扭矩和速度控制的快速軟件編碼器。InstaSPIN-MOTION 針對無傳感器系統(tǒng)，可為任何三相電機提供位置、速度和扭矩控制。

這些示波器的完整參考設計由 TI 提供，包括 InstaSPIN-FOC 和 InstaSPIN-MOTION 電機控制技術(shù)。該平臺包括一個 32 位 TI C2000 InstaSPIN 微控制器。它允許開發(fā)人員識別、自動調(diào)整和控制三相電機，快速提供穩(wěn)定且功能強大的電機控制系統(tǒng)。

STMicroelectronics 提供完整的 ESC 參考設計，實現(xiàn)無傳感器 FOC 算法。STEVAL-ESC001V1 電調(diào)參考設計適用于入門級商用無人機設計，可驅(qū)動任何由 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（或 PMSM），峰值電流高達 30 A。借助完整的預配置固件包 (STSW-ESC001V1)，STEVAL-ESC001V1 允許設計人員快速開發(fā)他們的應用程序，實現(xiàn)具有三分流電流讀數(shù)、速度控制和完全主動制動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 庫允許通過對嵌入在 STM32 MCU 中的 FOC 參數(shù)起作用來優(yōu)化 ESC 設計，并利用 ST 電機分析器快速檢索相關(guān)電機參數(shù)。ST 的無傳感器 FOC 算法可適用于任何三相 BLDC 或 PMSM 電機應用，提供更長的飛行時間和最佳動態(tài)性能（圖 4 和 5）。

該HoverGames無人機開發(fā)平臺，可用于構(gòu)建任何自主車型，從無人機和流浪者無人機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飛行的各種隨附傳感器。

飛行控制器確保無人機保持穩(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 IoT 連接來實施 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可用遙測無線電中的哪一個。通過遙測，您可以在飛行過程中實時連接到車輛，并可以在飛行過程中查看無人機的狀態(tài)、加載和控制自主航點并進行任何必要的更改。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 2212 920 kV，和 ESC 電機控制器 40 A OPTO（圖 6）。

審核編輯：劉清