设计无人机电子速度控制的关键因素

无人机设计的关键是能够控制电机的速度和旋转。大多数无人机由无刷直流电机供电，需要不断调节速度和旋转方向。电子速度控制 (ESC) 模块执行这些功能，包括电源级、电流感应电路、微控制器以及与飞行控制系统的通信接口，因此成为无人机的基础。本文将介绍设计 ESC 时需要考虑的重要因素以及市场的开发解决方案。

电机控制

ESC 的设计需要仔细评估和分析特性，可以总结如下：

• 安装在无人机上的电池
• 电机
• 可用预算
• 电磁兼容性 (EMC) 和抗干扰性

无人机上可以安装两种类型的无刷电机：无刷直流电机 (BLDC) 和无刷交流电机 (BLAC)，也称为永磁同步电机 (PMSM)。选择使用哪种类型的电机受所选控制算法的影响，可以是梯形控制或磁场定向控制 (FOC)。梯形电机控制算法具有以下主要特点：

• 基于六相开关序列的电机控制
• 转子磁角检测，用于设置正确的角度；每一步对应一个 60°角
• 在无传感器控制系统中，开关角是通过测量反电动势相电压来估算的

而FOC控制算法具有以下特点：

• 通过正弦相电压或电流 (FOC) 进行电机控制
• 转子角度检测的最小精度为 1° 到 5°，确保算法始终能够提供最大扭矩

在无传感器控制系统中，电机的磁角是根据电机相电压和电流估算的。它的位置是通过监测电机的某些电气参数来确定的，而无需使用额外的传感器。无人机中最常用的类型是无刷直流电机，因为它体积小，成本相对较低，并且具有很高的耐用性和鲁棒性。

大多数无人机至少有四个电机，其中最常用的是四电机版本。 ESC 负责控制每个电机的速度，因此，最常见的无人机架构涉及为每个电机专门使用一个 ESC。所有电调都必须能够通过飞控直接或间接地相互通信，以便轻松控制无人机。每个电机旋转的方向也很重要：在四轴飞行器中，一对电机朝一个方向转动，而另一对则朝相反方向转动。

ESC 制造商最常用的电机控制技术是磁场定向控制，一种控制电机扭矩和速度的技术。如果实施得当，FOC 甚至可以处理快速的加速度变化而不会产生不稳定，从而使无人机能够执行复杂的机动，同时最大限度地提高效率。

下面图 1 中的框图显示了一个 FOC 架构，其中包括以下组件：

• 电流控制器由两个积分比例控制器组成
• 可选的外部环路速度控制器和参考电流发生器
• 用于从静止坐标系转换为旋转同步坐标系的克拉克、帕克和逆帕克变换
• 一种空间矢量调制器算法，可将 vα 和 vβ 命令转换为应用于定子绕组的脉宽调制信号
• 保护和辅助功能，包括启动和关闭逻辑
• 如果需要无传感器控制，可选观测器来估计转子的角位置

图 1. 面向场控制的框图（来源：Mathworks）

设计 FOC 的电机控制工程师执行多项任务，包括为电流回路开发具有两个 PI 控制器的控制器架构，优化所有 PI 控制器的增益以满足性能要求，以及设计一个空间矢量调制器来控制 PWM。

一旦选择了控制算法（梯形或 FOC），下一步就是在开环或闭环控制系统之间进行选择。在开环控制中，同步电机（BLDC 或 BLAC）通过控制信号驱动，并假定遵循指令控制动作。在闭环控制系统中，电路能够检查电机是否按预期运动。如果不是，控制系统会通过降低或增加电流来自动补偿运动过度或运动不足。

当使用闭环或开环（无传感器）控制系统时，必须测量电流和电压以用作反馈信号。图 2 显示了一个典型的测量设置，适用于梯形和正弦控制系统。通过使用无传感器算法的梯形控制，无传感器算法利用三相电压计算转子角度。

图 2. 带有无传感器电机控制的 ESC。右侧是德州仪器 (TI) 的无人机电调高速无传感器 FOC 参考设计，左侧是其框图。 （来源：德州仪器）

四轴飞行器动力学

无人机的机械简单性和空气动力学稳定性与电机及其机动的协调使用有关。在四轴飞行器中，位于结构对角线上的一对电机与其他两个电机同向转动，但方向相反。如果所有四个电机以相同的速度转动，无人机可以爬升、下降或保持水平飞行。如果对角线对转得比另一个快，则无人机将围绕其重心旋转并保持在同一水平面（图 3）。

图 3. 无人机使用不同的转子速度组合来执行机动。 （来源：意法半导体）

如果你改变头（或尾）旋翼的速度，无人机会像固定翼飞机俯冲一样向上或向下。向左或向右调整扭矩会导致无人机滚动，使其绕其轴旋转。由无人机的飞行控制系统改变适当的旋翼速度以达到完成所需机动所需的飞行高度。

对于控制工程师来说，速度校正是一个常见的控制回路反馈问题，可以通过比例、积分、微分 (PID) 控制器来解决。

设计电调

为无人机设计 ESC 需要专门设计用于控制高 RPM 电机（12,000+ RPM）的高质量组件。德州仪器 (TI) 开发了一系列 MCU，称为 InstaSPIN，可简化三相电机控制应用的设计。 InstaSPIN-FOC 适用于无传感器系统，具有适用于任何三相电机的扭矩和速度控制的快速软件编码器。 InstaSPIN-MOTION 针对无传感器系统，可为任何三相电机提供位置、速度和扭矩控制。

这些示波器的完整参考设计由 TI 提供，包括 InstaSPIN-FOC 和 InstaSPIN-MOTION 电机控制技术。该平台包括一个 32 位 TI C2000 InstaSPIN 微控制器。它允许开发人员识别、自动调整和控制三相电机，快速提供稳定且功能强大的电机控制系统。

STMicroelectronics 提供完整的 ESC 参考设计，实现无传感器 FOC 算法。 STEVAL-ESC001V1 电调参考设计适用于入门级商用无人机设计，可驱动任何由 6S 锂聚合物电池组或任何等效直流电源供电的三相无刷电机（或 PMSM），峰值电流高达 30 A。借助完整的预配置固件包 (STSW-ESC001V1)，STEVAL-ESC001V1 允许设计人员快速开发他们的应用程序，实现具有三分流电流读数、速度控制和完全主动制动的无传感器磁场定向控制算法。 STSW-ESC001V1 固件/软件包加上 STM32 PMSM FOC 软件开发套件 MC 库允许通过对嵌入在 STM32 MCU 中的 FOC 参数起作用来优化 ESC 设计，并利用 ST 电机分析器快速检索相关电机参数。 ST 的无传感器 FOC 算法可适用于任何三相 BLDC 或 PMSM 电机应用，提供更长的飞行时间和最佳动态性能（图 4 和图 5）。

图 4. ST 的 STEVAL-ESC001V1 解决方案框图（来源：STMicroelectronics）

图 5. ST 的 STEVAL-ESC001V1 板（来源：STMicroelectronics）

HoverGames 无人机开发平台是一种模块化且灵活的恩智浦硬件/软件解决方案，可用于构建从无人机和漫游车到无人机的任何自动驾驶车辆。该开发套件本质上是基于一个带有 Linux 和 Open CV 的微处理器以及各种随附的传感器来引导飞行。

飞行控制器确保无人机保持稳定。该板是开源的，可以插入其他外部传感器以根据功能优化操作。

必须使用其中一个 IoT 连接来实施 LiPo 电池和特定于国家/地区的遥测无线电。要获得套件的完整功能，您需要选择要购买的两个可用遥测无线电中的哪一个。通过遥测，您可以在飞行过程中实时连接到车辆，并可以在飞行过程中查看无人机的状态、加载和控制自主航点并进行任何必要的更改。遥测数据被发送到控制站，但也存储在飞行单元中。

套件组件还包括 DC-DC 电源模块、带支架的 GPS NEO-M8N 模块、安全开关、蜂鸣器、明亮的 RGB 状态 LED、SEGGER J-Link EDU Mini/FTDI USB-TTL-3V3 电缆/带电缆的调试分线板, BLDC 无刷电机 2212 920 kV，ESC 电机控制器 40 A OPTO（图 6）。

图 6. RDDRONE-FMUK66 飞行单元（来源：NXP）

>> 本文最初发表于我们的姊妹网站，电力电子新闻。

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