無人機設(shè)計的關(guān)鍵是能夠控制電動機的速度和旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)無人機由無刷直流電動機提供動力，這需要不斷調(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，并包括電源級，電流感測電路，微控制器以及與飛行控制系統(tǒng)的通信接口，因此使其成為無人機的基礎(chǔ)。本文介紹了在設(shè)計ESC時要考慮的重要元素以及市場的開發(fā)解決方案。

　　電機控制

　　ESC的設(shè)計需要仔細評估和分析特性，可總結(jié)如下：

• 　　無人機上安裝的電池
• 　　馬達
• 　　可用預(yù)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動機：無刷直流電動機(BLDC)和無刷交流電動機(BLAC)，也稱為永磁同步電動機(PMSM)。使用哪種類型的電動機的選擇受所選控制算法的影響，該算法可以是梯形控制或磁場定向控制(FOC)。梯形電動機控制算法具有以下主要特征：

• 　　基于六相開關(guān)序列的電機控制
• 　　檢測轉(zhuǎn)子的磁角，用于設(shè)置正確的角度;每一步對應(yīng)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算開關(guān)角度

另一方面，F(xiàn)OC控制算法具有以下功能：

• 　　通過正弦相電壓或電流(FOC)進行電機控制
• 　　轉(zhuǎn)子角度檢測的最小精度為1°至5°，從而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，電動機的磁角是根據(jù)電動機的相電壓和電流來估算的。它的位置通過監(jiān)視電動機的某些電氣參數(shù)來確定，而無需使用其他傳感器。無人機中最常用的類型是無刷直流電動機，這是由于其體積小，成本相對較低以及耐用性和魯棒性高。

　　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(zé)控制每個電動機的速度，因此，最常見的無人機架構(gòu)涉及為每個電動機專用的ESC。所有ESC都必須能夠通過飛行控制器直接或間接相互通信，以便輕松控制無人機。每個電動機旋轉(zhuǎn)的方向也很重要：在四軸飛行器中，一對電動機沿一個方向旋轉(zhuǎn)，而另一對電動機則沿相反方向旋轉(zhuǎn)。

　　ESC制造商最常使用的電動機控制技術(shù)是磁場定向控制，即一種控制電動機轉(zhuǎn)矩和速度的技術(shù)。如果正確實施，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(fù)雜的機動，同時最大限度地提高效率。

　　下面的圖1中的框圖顯示了一個FOC架構(gòu)，其中包括以下組件：

• 　　電流控制器由兩個積分比例控制器組成
• 　　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Inverse Park變換可實現(xiàn)從靜止幀到旋轉(zhuǎn)同步幀的轉(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)制信號
• 　　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，則可選觀察者來估計轉(zhuǎn)子的角位置

圖1：面向字段的控制框圖

• 　　設(shè)計FOC的電機控制工程師要執(zhí)行多項任務(wù)，包括使用兩個用于電流回路的PI控制器開發(fā)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(shè)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，并假定遵循命令的控制動作。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電路能夠檢查電動機是否按預(yù)期運行。如果不是，則控制系統(tǒng)通過減小或增大電流來自動補償過度運動或運動不足。

　　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顯示了適用于梯形和正弦控制系統(tǒng)的典型測量設(shè)置。通過將梯形控制與無傳感器算法結(jié)合使用，無傳感器算法將使用三相電壓來計算轉(zhuǎn)子角。

圖2：具有無傳感器電機控制的ESC

　　四旋翼動力

　　無人機的機械簡單性和空氣動力學(xué)穩(wěn)定性與電動機及其操縱的協(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在與其他兩個電機相同的方向但相反的方向上旋轉(zhuǎn)。如果所有四個電機都以相同的速度旋轉(zhuǎn)，則無人機可以爬升，下降或保持水平飛行。如果對角線的旋轉(zhuǎn)速度快于另一對角線，則無人機將繞其重心旋轉(zhuǎn)并保持在同一水平面內(nèi)(圖3)。

圖3：無人機使用轉(zhuǎn)子速度的不同組合來執(zhí)行機動

　　如果更改頭(或尾)旋翼的速度，則無人機將像固定翼飛機向下俯沖那樣指向上方或下方。左右扭矩調(diào)整將導(dǎo)致無人機滾動，使其繞其軸旋轉(zhuǎn)。決定適當?shù)男硭俣纫赃_到完成所需機動所需的飛行高度，取決于無人機的飛行控制系統(tǒng)。

　　對于控制工程師而言，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(shè)計電調(diào)

　　為無人機設(shè)計ESC時，需要專門設(shè)計用于控制高RPM電動機(12,000+ RPM)的高質(zhì)量組件

　　PCBA生產(chǎn)

圖片來源由恒天偉業(yè)科技提供