设计无人机电机控制的ESC模块应考虑哪些关键要素?

无人机的设计关键是要能够控制电机的速度和旋转,因此电子速度控制(ESC)模块成为了无人机的关键组成。在本文中,我们将探讨在设计ESC和市场研发方案时要考虑的关键要素。设计ESC时需要对以下特性进行仔细的评估和分析:●安装在无人机上的电池;●电机:为了使电机能够平稳运行,ESC必须能够处理由电池供给的电流;●螺旋桨:螺旋桨的选择也将影响ESC的功率设置。您的无人机是使用3英寸、4英寸、5英寸还是6英寸螺旋桨?您想要哪种性能,并选择合适类型的螺旋桨螺距?●电压:选择正确的DC/DC转换器配置来为ESC供电。●固件:ESC从飞行控制器接收加速信号。电子速度控制器使用板载MCU,所以需要固件来控制硬件。●尺寸和重量,以及预算。无人机的用处越来越多,应用覆盖了从商业到军事的各项领域。大多数无人机由无刷直流电机驱动,要求对速度和旋转方向进行适当且持续的调节。ESC可满足这些功能要求,并包含电源级、电流检测电路、微控制器,以及飞行控制系统的通信接口。无人机必须具有高水平的稳定性和效率,才能胜任那些为它们设计的应用工作;使他们即使在最危险和最恶劣的天气条件下也能运行。对于由电机驱动并由电池供电的无人机这一特定情况来说(到目前为止这是最常见的方案,当然前提是不考虑军事领域),每个充满电的电池组都必须确保尽可能长的运行时间。无人机的主要优点之一是它们可以被远程操作,在人类有困难、危险或不方便到达的区域上空飞行。商业应用包括农业、工厂车间和建筑物监控(安全、监控视频和预防),甚至包括包裹、药品或其它必需品的运输。许多人认为,无人机的诞生是一场革命,其影响在未来几年将变得更加明显。amazon和Facebook这两家互联网巨头公司从一开始就押注无人机的巨大潜力,前者研发出使用无人飞行器(UAV)为偏远且难以送达的地区运送产品,而后者则利用无人机为偏远地区提供互联网连接服务。

电机控制

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)。使用哪种类型的电机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征:●基于六步换相序列的电机控制●对转子磁角的检测,用于确认电角度;每步对应一个60°电角度●在无传感器控制系统中,通过测量反电动势(EMF)相电压来估算切换角度而FOC控制算法具有以下功能特性:●通过正弦相电压或电流进行电机控制●最小精度为1°至5°的转子角检测,从而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算的。它的位置通过监测电机的某些特定电气参数来确定,而无需使用其它传感器。无人机里最常用的电机类型是无刷直流电机,因为它体积小、成本相对较低,而且具有高耐用性和鲁棒性。大多数无人机至少有四个电机,最常用的就是四电机版本。 ESC负责控制每个电机的速度,因此最常见的无人机架构包含各个电机专用的ESC。所有ESC都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。每个电机旋转的方向也很重要:在四轴飞行器中,一对电机沿一个方向旋转,而另一对电机则沿相反方向旋转。ESC制造商最常用的电机控制技术是磁场定向控制(FOC),这是一种控制电机转矩和速度的技术。如果运用正确,FOC甚至可以承受急剧的加速变化而不会产生不稳定的情况,从而使无人机能够执行复杂的调遣,同时最大限度地提高效率。下方图1中的框图展示了一个FOC架构,包含以下组件:●电流控制器由两个积分比例(PI)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●Clarke、Park和Park逆变换,可实现从静止到旋转坐标系的转换●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(PWM)信号●保护和辅助功能,包括启动和关闭逻辑●当需要使用无传感器控制时,可选观测器用来估测转子角位置1:磁场定向控制FOC示意图(来源:MathWorks设计FOC的电机控制工程师要执行多项任务,包括开发控制器架构,连带着用于电流回路的两个PI控制器,优化所有PI控制器的增益以满足性能要求,以及设计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,并且默认遵循动作的控制指令。在闭环控制系统中,电路能够检查电机是否在按预期运行。如果不是,则控制系统将自动通过减小或增大电流来弥补过度运动或运动不足。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装置,适用于梯形和正弦控制系统。通过将梯形控制与无传感器算法结合使用,无传感器算法将使用三相电压来计算转子角度。2:具有无传感器电机控制的ESC。右边是德州仪器(TI)的无人机ESC中的高速无传感器FOC参考设计,左边是其框图。(来源:TI)

四轴飞行器动力学

无人机机械的简便性和空气动力学的稳定性与其电机及机动飞行的协调使用有关。在四轴飞行器中,位于结构对角线上的一对电机在同一方向上旋转,另外两个电机在相反的方向上旋转。如果四个电机都以同一速度旋转,则无人机爬升,下降或保持水平飞行。如果对角一对电机的旋转速度快于另一对角,则无人机将绕其重心旋转并维持在同一水平面内(图3)。3:无人机使用不同旋翼速度组合来完成机动飞行。(来源:意法半导体ST如果更改头(或尾)旋翼的速度,则无人机将朝着上方或下方飞行,就像固定翼飞机向下俯冲那样。调节左右扭矩将使无人机滚动,使其绕轴旋转。无人机的飞行控制系统负责调整合适的旋翼速度,以此来达到所需的飞行高度。对于控制工程师而言,速度校正是一个常见的控制回路反馈问题,可通过比例-积分-微分(PID)控制器解决。

设计电子速度控制器(ESC)

为无人机设计ESC时,需要专门设计高质量的组件,用于控制高转速电机(12,000+ RPM)。德州仪器(TI)开发了InstaSPIN MCU系列,可简化三相电机控制应用的设计。适用于无传感器系统的InstaSPIN-FOC搭载了快速软件编码器,具有适用于任何三相电机的转矩控制和速度控制功能。InstaSPIN-MOTION适用于无传感器系统,可为任何三相电机提供位置、速度和转矩控制。TI提供了满足这些要求的完整参考设计,其中包括InstaSPIN-FOC和InstaSPIN-MOTION电机控制技术。该平台包含一个32位的TI C2000 InstaSPIN微控制器。它使开发人员能够识别、自动调节和控制三相电机,从而快速提供稳定且功能强大的电机控制系统。ST提供了完整的ESC参考设计,采用无传感器FOC算法。 STEVAL-ESC001V1 ESC参考设计适用于入门级的商用无人机设计,并可以驱动任何由6S LiPo电池组或任何等效的直流电源供电(峰值电流最高为30A)的三相无刷电机(或PMSM)。 STEVAL-ESC001V1借助完整的预配置固件包(STSW-ESC001V1),配置了无传感器的FOC算法,具有三并联电流读数、速度控制和完全主动制动功能,使设计人员能够快速开发应用。 STSW-ESC001V1固件/软件包以及STM32 PMSM FOC软件开发套组MC库可通过作用于STM32 MCU中嵌入的FOC参数来优化ESC设计,并利用ST电机分析器快速检索相关的电机参数。 ST的无传感器FOC算法可适用于任何三相BLDC或PMSM电机应用,可提供更长的飞行时间和最佳的动态性能(图4和5)。4:意法半导体的STEVAL-ESC001V1解决方案框图(来源:ST5:意法半导体的STEVAL-ESC001V1板(来源:ST6STEVAL-ESC001V1板的系统结构概览(来源:ST7STEVAL-ESC001V1板及其详细信息(来源:STHoverGames无人机开发平台是一种模块化的灵活NXP硬件/软件方案,可用于构建从无人机、漫游车到无人飞行器(UAV)的任何自动驾驶车辆。该开发套件主要基于使用Linux和Open CV的微处理器,并带有各种用于指导飞行的配套传感器。飞行控制器用来确保无人机保持稳定。开发板是开源的,可以插入其它外部传感器以根据功能性来优化操作。8RDDRONE-FMUK66飞行单元的框图(来源:NXPLiPo电池和特定国家/地区的遥测无线通信的实施必须选择一种物联网(IoT)连接。要获得该套件的全部功能,您需要在两种遥测无线通信中选择一种购买。通过遥测技术,您可以在飞行过程中与机器进行实时连接,并可以在飞行过程中查看无人机的状态、进行装载、控制自主航点并进行必要的更改。遥测数据会被发送到控制站,也会被存储在飞行单元内。开发套件还包括直流电源模块、可安装的GPS NEO-M8N模块、安全开关、蜂鸣器、明亮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和ESC电机控制器40 A OPTO(图9)。9RDDRONE-FMUK66飞行单元俯视图:左侧是串行接口,中间的是处理器Kinetis(来源NXP

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