無人機的應用范圍不斷擴大，其應用范圍廣泛，從業(yè)余愛好領域到商業(yè)和工業(yè)領域，再到最先進的軍事應用。無人機的優(yōu)勢是能夠遠程操作，因此可以飛越難以親自到達的區(qū)域，危險或不方便。商業(yè)領域的應用是多方面的：農業(yè)、植物和建筑物的監(jiān)控、射擊區(qū)域，甚至是包裹、藥品或必需品的運送。無人機的新的和進一步的應用很可能在未來幾年被確定，屆時它們將不再被視為玩具或小工具，而是作為改善我們生活質量的寶貴工具。

電子速度控制

本文重點介紹通常配備無刷直流電機的中遠程無人機。這種類型的電機需要仔細和連續(xù)地調節(jié)速度和相對旋轉方向;在某些情況下，還需要實現真正的動態(tài)制動。負責這些功能的電路是 ESC(電子速度控制器)，它通常由電源級、用于檢測電流的電路、微控制器和與飛行控制器的通信接口組成。ESC的設計涉及一系列重要特征，涉及：

· 用于電機控制的拓撲;

· 成本和效率之間的折衷(因此是飛行時間);

· 安裝在無人機上的電池類型;

· 所需的性能(例如，最大可控電機速度);

· 電磁兼容性 (EMC) 和抗干擾能力。

適用于無人機的無刷電機有兩種：直流無刷電機 (BLDC) 和交流無刷電機 (BLAC)，也稱為永磁同步電機 (PMSM)。選擇使用哪種類型的電機通常基于所選的控制算法：梯形或磁場定向控制 (FOC)。更準確地說，梯形電機控制算法具有以下特點：

· 基于六步換向序列的電機控制;

· 檢測轉子的磁角，以正確的角度進行換向(每一步對應一個60度的角度);

· 在沒有傳感器的情況下，通過測量相電壓反電動勢來估計換向角。

相反，FOC 控制算法具有以下特點：

· 通過正弦相電壓或電流 (FOC) 控制電機;

· 轉子磁場角度檢測，最小精度在1到5度之間，始終保證最大扭矩;

· 在沒有傳感器的情況下，轉子磁角是根據電機的相電壓和電流估算的。

與基于機械速度傳感器的替代方案相比，無傳感器控制系統通常是首選，因為它可以降低項目成本并有助于提高系統的穩(wěn)健性。

設計注意事項

用于在不同功率級之間換向的PWM 信號根據所選控制類型的不同而有所不同。

梯形控制受到一個問題(a problem)的影響，由于各相之間的突變，會產生轉矩脈動和電流尖峰，從而降低效率并產生振動。在電氣層面，電調的直流母線電壓介于 7.4V 和 22.4V 之間，而來自鋰聚合物電池 (LiPo) 的電流介于 10A 和 20A 之間。為了盡量減少干擾，用于相間換向的 PWM 頻率介于 30kHz 和 60kHz 之間。一旦選擇了控制算法，就必須決定控制是在開環(huán)還是閉環(huán)中進行。

閉環(huán)控制是優(yōu)選的，因為通過測量使電機執(zhí)行所需位移所需的電流，相對于開環(huán)解決方案可以獲得更高的效率和精度。在梯形控制的情況下，只需測量一個分流電流，而在正弦控制的情況下，則需要測量多達三個分流電流。使用閉環(huán)控制時，需要對算法進行調整，以使電機在高轉速(即超過 12kRPM)下保持穩(wěn)定。

商用無人機解決方案

無人機電調的設計需要高級組件，專門設計用于以最高速度驅動高速電機。德州儀器 (TI) 開發(fā)了一個名為 InstaSPIN 的 MCU 系列，它使設計三相電機控制應用程序變得更加容易。InstaSPIN-FOC 適用于無傳感器系統，具有快速軟件編碼器，可對任何三相電機進行扭矩和速度控制。InstaSPIN-MOTION 改為針對傳感器系統，并為任何三相電機提供位置、速度和扭矩控制。除了 MCU，TI 還提供其他適用于 ESC 設計的產品，例如 NexFET 系列功率 MOSFET 和具有三個集成分流放大器的 DRV8305 三相柵極驅動器。

InstaSPIN 附帶一個高壓電機控制套件，這是一個完整的參考設計，用于學習和試驗高壓電機的數字控制。該平臺基于革命性的InstaSPIN-FOC和 InstaSPIN-MOTION 電機控制技術，包括一個 TI C2000 InstaSPIN 32 位微控制器。它使開發(fā)人員能夠快速識別、自動調諧和控制三相電機，從而快速提供穩(wěn)定且功能強大的電機控制系統。該套件是一款出色的全方位電機逆變器設計工具，展示了對最常見類型的高壓三相電機的無傳感器和基于編碼器的控制，包括交流感應 (ACI)、無刷直流 (BLDC) 和永磁電機同步電機(PMSM 和 IPM)。

STMicroelectronics 還提供完整的電子速度控制器 (ESC) 參考設計，實現無傳感器 FOC 算法。STEVAL-ESC001V1 電子速度控制器參考設計適用于入門級商用無人機設計，可驅動由 6S 鋰聚合物電池組或任何等效直流電源供電的任何三相無刷(或 PMSM)電機，峰值電流高達 30 A . STEVAL- ESC001V1借助完整的預配置固件包 (STSW-ESC001V1)，設計人員可以快速開發(fā)他們的應用程序，實施具有 3 分流電流讀數、速度控制和完全主動制動的無傳感器磁場定向控制算法。參考設計板可以通過 PWM 信號接受來自飛行控制器的命令，但也可以使用其他通信接口，如 UART、CAN 和 I2C。

該參考包括一個工作電壓為 5V 的電池消除器電路、一個用于溫度測量的 NTC 傳感器以及用于過流和過壓保護 (OCP/OVP) 的電路。小巧的外形尺寸和電流能力使該參考設計適用于小型輕型無人機(如專業(yè)無人機)上的電子速度控制器。STSW-ESC001V1 固件/軟件包加上 STM32 PMSM FOC 軟件開發(fā)套件 – MC 庫允許通過作用于嵌入在 STM32 MCU 中的磁場定向控制參數優(yōu)化電子速度控制器設計，并利用 ST 電機分析器檢索相關電機參數迅速。ST 無傳感器 FOC 算法適用于任何三相 BLDC 或 PMSM 電機應用，確保更長的飛行時間和最佳的動態(tài)性能。

結論

無人機的電子速度控制器對于在中小型商用無人機中提供電機速度控制至關重要。最廣泛使用的解決方案之一是基于用于控制三相無刷電機的無傳感器 FOC 技術。對于實現更高精度和更好速度控制器的有傳感器解決方案，無傳感器解決方案具有成本更低和重量更輕的優(yōu)勢，這是任何中小型無人機的兩個關鍵因素。