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設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)電機(jī)控制的ESC模塊應(yīng)考慮哪些關(guān)鍵要素？

2021-04-15 08:49 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：Maurizio Di Paolo Emilio 來(lái)源：EET電子工程專(zhuān)輯
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無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要能夠控制其電機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)，因此電子速度控制（ESC）模塊成為了無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵組成。在本文中，我們將探討在設(shè)計(jì)ESC和市場(chǎng)研發(fā)方案時(shí)要考慮...

無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要能夠控制其電機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)，因此電子速度控制（ESC）模塊成為了無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵組成。在本文中，我們將探討在設(shè)計(jì)ESC和市場(chǎng)研發(fā)方案時(shí)要考慮的關(guān)鍵要素。設(shè)計(jì)ESC時(shí)需要對(duì)以下特性進(jìn)行仔細(xì)的評(píng)估和分析：

●安裝在無(wú)人機(jī)上的電池；

●電機(jī)：為了使電機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行，ESC必須能夠處理由電池供給的電流；

●螺旋槳：螺旋槳的選擇也將影響ESC的功率設(shè)置。您的無(wú)人機(jī)是使用3英寸、4英寸、5英寸還是6英寸螺旋槳？您想要哪種性能，并選擇合適類(lèi)型的螺旋槳螺距？

●電壓：選擇正確的DC/DC轉(zhuǎn)換器配置來(lái)為ESC供電。

●固件：ESC從飛行控制器接收加速信號(hào)。電子速度控制器使用板載MCU，所以需要固件來(lái)控制硬件。

●尺寸和重量，以及預(yù)算。

無(wú)人機(jī)的用處越來(lái)越多，應(yīng)用覆蓋了從商業(yè)到軍事的各項(xiàng)領(lǐng)域。大多數(shù)無(wú)人機(jī)由無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，要求對(duì)速度和旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行適當(dāng)且持續(xù)的調(diào)節(jié)。ESC可滿足這些功能要求，并包含電源級(jí)、電流檢測(cè)電路、微控制器，以及飛行控制系統(tǒng)的通信接口。

無(wú)人機(jī)必須具有高水平的穩(wěn)定性和效率，才能勝任那些為它們?cè)O(shè)計(jì)的應(yīng)用工作；使他們即使在最危險(xiǎn)和最?lèi)毫拥奶鞖鈼l件下也能運(yùn)行。對(duì)于由電機(jī)驅(qū)動(dòng)并由電池供電的無(wú)人機(jī)這一特定情況來(lái)說(shuō)（到目前為止這是最常見(jiàn)的方案，當(dāng)然前提是不考慮軍事領(lǐng)域），每個(gè)充滿電的電池組都必須確保盡可能長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

無(wú)人機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它們可以被遠(yuǎn)程操作，在人類(lèi)有困難、危險(xiǎn)或不方便到達(dá)的區(qū)域上空飛行。商業(yè)應(yīng)用包括農(nóng)業(yè)、工廠車(chē)間和建筑物監(jiān)控（安全、監(jiān)控視頻和預(yù)防），甚至包括包裹、藥品或其它必需品的運(yùn)輸。許多人認(rèn)為，無(wú)人機(jī)的誕生是一場(chǎng)革命，其影響在未來(lái)幾年將變得更加明顯。Amazon和Facebook這兩家互聯(lián)網(wǎng)巨頭公司從一開(kāi)始就押注無(wú)人機(jī)的巨大潛力，前者研發(fā)出使用無(wú)人飛行器（UAV）為偏遠(yuǎn)且難以送達(dá)的地區(qū)運(yùn)送產(chǎn)品，而后者則利用無(wú)人機(jī)為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)。

電機(jī)控制

無(wú)人機(jī)上可以安裝兩種類(lèi)型的無(wú)刷電機(jī)：無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）和無(wú)刷交流電機(jī)（BLAC），也稱為永磁同步電機(jī)（PMSM）。使用哪種類(lèi)型的電機(jī)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征：

●基于六步換相序列的電機(jī)控制

●對(duì)轉(zhuǎn)子磁角的檢測(cè)，用于確認(rèn)電角度；每步對(duì)應(yīng)一個(gè)60°電角度

●在無(wú)傳感器控制系統(tǒng)中，通過(guò)測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)（EMF）相電壓來(lái)估算切換角度

而FOC控制算法具有以下功能特性：

●通過(guò)正弦相電壓或電流進(jìn)行電機(jī)控制

●最小精度為1°至5°的轉(zhuǎn)子角檢測(cè)，從而確保算法始終能夠提供最大扭矩。

在無(wú)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(lái)估算的。它的位置通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)的某些特定電氣參數(shù)來(lái)確定，而無(wú)需使用其它傳感器。無(wú)人機(jī)里最常用的電機(jī)類(lèi)型是無(wú)刷直流電機(jī)，因?yàn)樗w積小、成本相對(duì)較低，而且具有高耐用性和魯棒性。

大多數(shù)無(wú)人機(jī)至少有四個(gè)電機(jī)，最常用的就是四電機(jī)版本。 ESC負(fù)責(zé)控制每個(gè)電機(jī)的速度，因此最常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)架構(gòu)包含各個(gè)電機(jī)專(zhuān)用的ESC。所有ESC都必須能夠通過(guò)飛行控制器直接或間接地相互通信，以便輕松控制無(wú)人機(jī)。每個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向也很重要：在四軸飛行器中，一對(duì)電機(jī)沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，而另一對(duì)電機(jī)則沿相反方向旋轉(zhuǎn)。

ESC制造商最常用的電機(jī)控制技術(shù)是磁場(chǎng)定向控制（FOC），這是一種控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的技術(shù)。如果運(yùn)用正確，F(xiàn)OC甚至可以承受急劇的加速變化而不會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況，從而使無(wú)人機(jī)能夠執(zhí)行復(fù)雜的調(diào)遣，同時(shí)最大限度地提高效率。

下方圖1中的框圖展示了一個(gè)FOC架構(gòu)，包含以下組件：

●電流控制器由兩個(gè)積分比例（PI）控制器組成

●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Park逆變換，可實(shí)現(xiàn)從靜止到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

●一種空間矢量調(diào)制器算法，可將vα和vβ命令轉(zhuǎn)換為應(yīng)用于定子繞組的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)

●保護(hù)和輔助功能，包括啟動(dòng)和關(guān)閉邏輯

●當(dāng)需要使用無(wú)傳感器控制時(shí)，可選觀測(cè)器用來(lái)估測(cè)轉(zhuǎn)子角位置

圖1：磁場(chǎng)定向控制FOC示意圖（來(lái)源：Mathworks）

設(shè)計(jì)FOC的電機(jī)控制工程師要執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，包括開(kāi)發(fā)控制器架構(gòu)，連帶著用于電流回路的兩個(gè)PI控制器，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)空間矢量調(diào)制器來(lái)控制PWM。

一旦選擇了控制算法（梯形或FOC），下一步就是在開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)之間進(jìn)行選擇。在開(kāi)環(huán)控制中，同步電機(jī)（BLDC或BLAC）通過(guò)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)，并且默認(rèn)遵循動(dòng)作的控制指令。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電路能夠檢查電機(jī)是否在按預(yù)期運(yùn)行。如果不是，則控制系統(tǒng)將自動(dòng)通過(guò)減小或增大電流來(lái)彌補(bǔ)過(guò)度運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)不足。

當(dāng)使用閉環(huán)或開(kāi)環(huán)（無(wú)傳感器）控制系統(tǒng)時(shí)，必須測(cè)量電流和電壓以用作反饋信號(hào)。圖2顯示了一個(gè)典型的測(cè)量裝置，適用于梯形和正弦控制系統(tǒng)。通過(guò)將梯形控制與無(wú)傳感器算法結(jié)合使用，無(wú)傳感器算法將使用三相電壓來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子角度。

圖2：具有無(wú)傳感器電機(jī)控制的ESC。右邊是德州儀器（TI）的無(wú)人機(jī)ESC中的高速無(wú)傳感器FOC參考設(shè)計(jì)，左邊是其框圖。（來(lái)源：TI）

四軸飛行器動(dòng)力學(xué)

無(wú)人機(jī)機(jī)械的簡(jiǎn)便性和空氣動(dòng)力學(xué)的穩(wěn)定性與其電機(jī)及機(jī)動(dòng)飛行的協(xié)調(diào)使用有關(guān)。在四軸飛行器中，位于結(jié)構(gòu)對(duì)角線上的一對(duì)電機(jī)在同一方向上旋轉(zhuǎn)，另外兩個(gè)電機(jī)在相反的方向上旋轉(zhuǎn)。如果四個(gè)電機(jī)都以同一速度旋轉(zhuǎn)，則無(wú)人機(jī)爬升，下降或保持水平飛行。如果對(duì)角一對(duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度快于另一對(duì)角，則無(wú)人機(jī)將繞其重心旋轉(zhuǎn)并維持在同一水平面內(nèi)（圖3）。

圖3：無(wú)人機(jī)使用不同旋翼速度組合來(lái)完成機(jī)動(dòng)飛行。（來(lái)源：意法半導(dǎo)體ST）

如果更改頭（或尾）旋翼的速度，則無(wú)人機(jī)將朝著上方或下方飛行，就像固定翼飛機(jī)向下俯沖那樣。調(diào)節(jié)左右扭矩將使無(wú)人機(jī)滾動(dòng)，使其繞軸旋轉(zhuǎn)。無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)整合適的旋翼速度，以此來(lái)達(dá)到所需的飛行高度。

對(duì)于控制工程師而言，速度校正是一個(gè)常見(jiàn)的控制回路反饋問(wèn)題，可通過(guò)比例-積分-微分（PID）控制器解決。

設(shè)計(jì)電子速度控制器（ESC）

為無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)ESC時(shí)，需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)高質(zhì)量的組件，用于控制高轉(zhuǎn)速電機(jī)（12,000+ RPM）。德州儀器（TI）開(kāi)發(fā)了InstaSPIN MCU系列，可簡(jiǎn)化三相電機(jī)控制應(yīng)用的設(shè)計(jì)。適用于無(wú)傳感器系統(tǒng)的InstaSPIN-FOC搭載了快速軟件編碼器，具有適用于任何三相電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制和速度控制功能。InstaSPIN-MOTION適用于無(wú)傳感器系統(tǒng)，可為任何三相電機(jī)提供位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制。

TI提供了滿足這些要求的完整參考設(shè)計(jì)，其中包括InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION電機(jī)控制技術(shù)。該平臺(tái)包含一個(gè)32位的TI C2000 InstaSPIN微控制器。它使開(kāi)發(fā)人員能夠識(shí)別、自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制三相電機(jī)，從而快速提供穩(wěn)定且功能強(qiáng)大的電機(jī)控制系統(tǒng)。

ST提供了完整的ESC參考設(shè)計(jì)，采用無(wú)傳感器FOC算法。 STEVAL-ESC001V1 ESC參考設(shè)計(jì)適用于入門(mén)級(jí)的商用無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)，并可以驅(qū)動(dòng)任何由6S LiPo電池組或任何等效的直流電源供電（峰值電流最高為30A）的三相無(wú)刷電機(jī)（或PMSM）。 STEVAL-ESC001V1借助完整的預(yù)配置固件包（STSW-ESC001V1），配置了無(wú)傳感器的FOC算法，具有三并聯(lián)電流讀數(shù)、速度控制和完全主動(dòng)制動(dòng)功能，使設(shè)計(jì)人員能夠快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用。 STSW-ESC001V1固件/軟件包以及STM32 PMSM FOC軟件開(kāi)發(fā)套組MC庫(kù)可通過(guò)作用于STM32 MCU中嵌入的FOC參數(shù)來(lái)優(yōu)化ESC設(shè)計(jì)，并利用ST電機(jī)分析器快速檢索相關(guān)的電機(jī)參數(shù)。 ST的無(wú)傳感器FOC算法可適用于任何三相BLDC或PMSM電機(jī)應(yīng)用，可提供更長(zhǎng)的飛行時(shí)間和最佳的動(dòng)態(tài)性能（圖4和5）。

圖4：意法半導(dǎo)體的STEVAL-ESC001V1解決方案框圖（來(lái)源：ST）

圖5：意法半導(dǎo)體的STEVAL-ESC001V1板（來(lái)源：ST）

圖6：STEVAL-ESC001V1板的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概覽（來(lái)源：ST）

圖7：STEVAL-ESC001V1板及其詳細(xì)信息（來(lái)源：ST）

HoverGames無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)是一種模塊化的靈活NXP硬件/軟件方案，可用于構(gòu)建從無(wú)人機(jī)、漫游車(chē)到無(wú)人飛行器（UAV）的任何自動(dòng)駕駛車(chē)輛。該開(kāi)發(fā)套件主要基于使用Linux和Open CV的微處理器，并帶有各種用于指導(dǎo)飛行的配套傳感器。

飛行控制器用來(lái)確保無(wú)人機(jī)保持穩(wěn)定。開(kāi)發(fā)板是開(kāi)源的，可以插入其它外部傳感器以根據(jù)功能性來(lái)優(yōu)化操作。

圖8：RDDRONE-FMUK66飛行單元的框圖（來(lái)源：NXP）

LiPo電池和特定國(guó)家/地區(qū)的遙測(cè)無(wú)線通信的實(shí)施必須選擇一種物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接。要獲得該套件的全部功能，您需要在兩種遙測(cè)無(wú)線通信中選擇一種購(gòu)買(mǎi)。通過(guò)遙測(cè)技術(shù)，您可以在飛行過(guò)程中與機(jī)器進(jìn)行實(shí)時(shí)連接，并可以在飛行過(guò)程中查看無(wú)人機(jī)的狀態(tài)、進(jìn)行裝載、控制自主航點(diǎn)并進(jìn)行必要的更改。遙測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)被發(fā)送到控制站，也會(huì)被存儲(chǔ)在飛行單元內(nèi)。

開(kāi)發(fā)套件還包括直流電源模塊、可安裝的GPS NEO-M8N模塊、安全開(kāi)關(guān)、蜂鳴器、明亮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(wú)刷電機(jī)2212 920 kV和ESC電機(jī)控制器40 A OPTO（圖9）。

圖9：RDDRONE-FMUK66飛行單元–俯視圖：左側(cè)是串行接口，中間的是處理器Kinetis（來(lái)源：NXP）

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