「行业资讯」无人机发动机电子稳定控制模块的设计

无人机设计的关键是能够控制马达的速度和旋转。大多数无人机的动力来自无刷直流电动机，需要不断调节转速和旋转方向。电子速度控制（ESC）模块执行这些功能，并且包括电源级、电流感测电路、微控制器和与飞行控制系统的通信接口，从而使其成为无人机的基础。本文将介绍设计电子稳定控制系统时需要考虑的重要因素以及市场发展解决方案。

电子稳定控制系统的设计需要对其特性进行仔细的评估和分析，总结如下：

• 安装在无人机上的电池

• 电动机

• 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（BLACs），也称为永磁同步电机（pmsm）。选择哪种电机类型受所选控制算法的影响，该算法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

• 检测转子的磁角，用于设置正确的角度；每一步对应一个60°角

• 在无位置传感器控制系统中，开关角是通过测量反电动势相位电压来估计的

另一方面，FOC控制算法具有以下特点：

• 通过正弦相位电压或电流（FOC）控制电机

• 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的相电压和电流来估计的。它的位置是通过监测电机的某些电气参数来确定的，而不需要使用额外的传感器。无刷直流电动机是无刷直流电动机中最常见的一种，因为它体积小、成本低、耐久性和鲁棒性强。

大多数无人机至少有四个电机，四个电机版本是使用最多的。电子稳定控制系统负责控制每台电机的速度，因此，最常见的无人机架构涉及到为每个电机专门使用电子稳定控制系统。所有电子稳定控制系统必须能够通过飞行控制器直接或间接地相互通信，以便轻松控制无人机。每一个马达的旋转方向也很重要：在四角机上，一对马达朝一个方向转动，而另一对马达则朝相反的方向转动。

ESC制造商最常用的电机控制技术是磁场定向控制，一种控制电机转矩和速度的技术。如果执行正确，FOC甚至可以处理快速的加速度变化，而不会产生不稳定性，允许无人机执行复杂的机动，同时最大限度地提高效率。

下图1中的方框图显示了一个FOC架构，它包括以下组件：

• 由两个积分比例控制器组成的电流控制器

• 可选外环速度控制器和参考电流发生器

• 从静止帧到静止帧的同步转换，以及从Park到Park的逆转换

• 将vα和vβ指令转换为定子绕组脉宽调制信号的空间矢量调制器算法

• 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，估计转子角位置的可选观测器

图1：现场控制框图（来源：Mathworks）

设计FOC的电机控制工程师要完成几个任务，包括为电流环开发两个PI控制器的控制器结构，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，同步电动机（BLDC或BLAC）是通过控制信号驱动的，并且假定它遵循命令的控制动作。在闭环控制系统中，电路能够检查电机是否按预期运动。否则，控制系统会通过减小或增加电流来自动补偿过度或不足的运动。

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作为反馈信号。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。采用梯形控制和无传感器算法，利用三相电压计算转子角。

图2：带无传感器电机控制的ESC。右边是TI为无人机电子稳定控制系统设计的高速无传感器聚焦。

无人机的机械简单性和空气动力学稳定性与发动机及其操纵的协调使用有关。在四轴直升机中，位于结构对角线上的一对电机与另两个电机的转向方向相同，但方向相反。如果所有四个马达以相同的速度转动，无人机可以爬升、下降或保持水平飞行。如果对角线对的转动速度比另一对快，无人机就会围绕其重心旋转，并保持在同一水平面上（图3）。

图3：无人机使用不同的旋翼速度组合来执行机动。（来源：STMicroelectronics）

如果改变头部（或尾部）旋翼的速度，无人机将像固定翼飞机俯冲一样向上或向下指向。左或右扭矩调整将导致无人机滚动，使其绕轴旋转。由无人机的飞行控制系统来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，它通过比例、积分、微分（PID）控制器来解决。

为无人机设计电子稳定控制系统需要高质量的部件，专门设计用于控制高转速发动机（12000转/分）。德州仪器公司开发了一个名为InstaSPIN的mcu家族，简化了三相电机控制应用程序的设计。InstaSPIN FOC适用于无传感器系统，具有适用于任何三相电机的转矩和速度控制的快速软件编码器。InstaSPIN MOTION针对无传感器系统，为任何三相电机提供位置、速度和扭矩控制。

TI为这些示波器提供了完整的参考设计，包括InstaSPIN FOC和InstaSPIN运动电机控制技术。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，快速提供稳定和功能正常的电机控制系统。

STMicroelectronics提供完整的ESC参考设计，实现无传感器FOC算法。STEVAL-ESC001V1 ESC参考设计适用于入门级商用无人机设计，可驱动任何三相无刷电机（或PMSM），由6S LiPo电池组或任何等效直流电源供电，峰值电流高达30A。STEVAL-ESC001V1通过一个完整的预配置固件包（STSW-ESC001V1），使设计人员能够快速开发其应用程序，实现了一个无传感器磁场定向控制算法，具有三个分流电流读数、速度控制和全主动制动。STSW-ESC001V1固件/软件包加上STM32 PMSM FOC软件开发工具包MC库，可通过对嵌入在STM32 MCU中的FOC参数进行操作来优化ESC设计，并利用ST motor profiler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无刷直流电机或永磁同步电机应用，提供更长的飞行时间和最佳的动态性能（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）

这个 主无人机开发平台是一个模块化和灵活的NXP硬件/软件解决方案，可用于制造任何自主车辆，从无人机、漫游车到无人机。开发包基本上是基于一个微处理器，带有Linux和Open-CV和各种辅助传感器来引导飞行。

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

必须使用其中一个物联网连接实现LiPo电池和特定国家的遥测无线电。要获得套件的完整功能，您需要选择购买两个可用遥测无线电设备中的哪一个。通过遥测，您可以在飞行过程中与飞行器建立实时连接，并且可以在飞行过程中查看无人机的状态、装载和控制自主航路点并进行任何必要的更改。遥测数据被发送到控制站，但也存储在飞机上的飞行单元中。

套件组件还包括直流至直流电源模块、带底座的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/带电缆的调试分接板、BLDC无刷电机2212 920 kV和ESC电机控制器40 A光电管（图6）。

图6:RDDRONE-FMUK66飞行单元（来源：NXP）