無(wú)人機(jī)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方案
來(lái)源：深圳市鑫海文科技有限公司|發(fā)布時(shí)間：2019-07-08 20:53
無(wú)刷直流電機(jī)（無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器）電機(jī)廣泛用??于電子設(shè)備設(shè)計(jì)，例如磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，冷卻風(fēng)扇和DVD播放器，因?yàn)樗鼈兙哂虚L(zhǎng)壽命周期，以DC電源運(yùn)行并且相對(duì)便宜。通常，無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器的速度和扭矩由采用標(biāo)量技術(shù)的MCU控制。
一種新的應(yīng)用正在出現(xiàn)，其特點(diǎn)是四旋翼無(wú)人機(jī)已成為業(yè)余愛(ài)好者的熱門。無(wú)人機(jī)也被考慮用于監(jiān)視等眾多商業(yè)應(yīng)用。對(duì)這些應(yīng)用尤其重要的是控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在低速下無(wú)傳感器和穩(wěn)定地控制無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器的能力。
對(duì)于具有動(dòng)態(tài)變化負(fù)載的應(yīng)用，標(biāo)量技術(shù)不夠精確。通過(guò)使用磁場(chǎng)定向控制（FOC）技術(shù)可以顯著提高精度，這些技術(shù)通常用于驅(qū)動(dòng)高端工業(yè)交流設(shè)備。通過(guò)實(shí)施FOC，無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器能夠以合理的成本為無(wú)人機(jī)和其他高性能應(yīng)用（如醫(yī)療機(jī)器人，萬(wàn)向節(jié)系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛汽車）提供精確控制。
過(guò)去設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品并非易事。它涉及對(duì)FOC或其他一些先進(jìn)，精密的電機(jī)控制技術(shù)的理解，如直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），以及專業(yè)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的操作知識(shí)。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)Τ杀久舾袝r(shí)-例如帶有可能被執(zhí)法部門使用的監(jiān)控?cái)z像機(jī)的無(wú)人機(jī)-那么表征廉價(jià)的無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器電機(jī)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
磁場(chǎng)定向控制（FOC）
用于控制無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器電機(jī)的傳統(tǒng)標(biāo)量技術(shù)稱為六步（或梯形）控制。定子以六步過(guò)程驅(qū)動(dòng)，該過(guò)程在產(chǎn)生的扭矩上產(chǎn)生振蕩。每對(duì)繞組都通電，直到轉(zhuǎn)子到達(dá)下一個(gè)位置，此時(shí)電機(jī)換向到下一步。對(duì)于無(wú)傳感器應(yīng)用，定子繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)通常用于確定轉(zhuǎn)子位置。
標(biāo)量控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)無(wú)法處理具有快速變化的動(dòng)態(tài)負(fù)載的應(yīng)用程序。因此，矢量控制已經(jīng)變得越來(lái)越流行，適用于從交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的白色家電（如洗衣機(jī)）到電池供電產(chǎn)品的各種應(yīng)用。
FOC是最常用的載體控制方法之一。它的工作原理是管理定子繞組，以保持轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁通與定子磁場(chǎng)正交。
FOC最初是為控制三相交流電動(dòng)機(jī)而開(kāi)發(fā)的。鑒于用于小型無(wú)人機(jī)的無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器的電源是21V（五節(jié)鋰聚合物）電池，電子元件必須包括低壓三相逆變器系統(tǒng)。其他主要組件是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，MCU，也許最重要的是執(zhí)行FOC算法的軟件。
FOC處理在直接正交（dq）域中執(zhí)行，該域是旋轉(zhuǎn)參考幀。直接和正交分量是將磁鏈狀態(tài)向量分解為兩個(gè)分量：通量-（d）和轉(zhuǎn)矩（q）-產(chǎn)生分量。這種關(guān)系如圖1所示。電機(jī)定子繞組中的電流受到控制，以保持轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁通與定子磁場(chǎng)正交（90°）。除了產(chǎn)生精確的電機(jī)控制外，這還提供了極其精確的轉(zhuǎn)矩控制，這是在dq參考系中運(yùn)行的真正優(yōu)勢(shì)。
FOC需要三個(gè)域變換：（1）定子中測(cè)量的相電流從3相靜態(tài)參考系轉(zhuǎn)換為靜態(tài)2相參考（α，β）;（2）將2相靜態(tài)參考系轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)子磁通對(duì)齊的旋轉(zhuǎn)兩相參考系統(tǒng)（dq）;（3）為了實(shí)際驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，將dq分量反變換為定子參考系，并用于空間矢量脈沖寬度調(diào)制（SVPWM）。
需要詳細(xì)的轉(zhuǎn)子位置信息以使dq參考系與轉(zhuǎn)子對(duì)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)子位置估計(jì)技術(shù)的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)到復(fù)雜的滑模觀測(cè)器和擴(kuò)展卡爾曼濾波器。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)
從靜態(tài)3相參考幀到2相dq參考幀的變換導(dǎo)致前面提到的直接和正交分量。直接（d）部件沒(méi)有提供有用的扭矩，事實(shí)上，往往會(huì)增加電機(jī)軸承的磨損。一個(gè)目標(biāo)是最小化該組件。正交（q）分量產(chǎn)生實(shí)際的電動(dòng)機(jī)扭矩，并由應(yīng)用決定。
將dq分量應(yīng)用于兩個(gè)PI（比例-積分）控制器，分別參考零和應(yīng)用扭矩設(shè)置以產(chǎn)生矢量輸出。兩個(gè)PI控制器的輸出是所需定子電壓空間矢量的（新）直接和正交電壓分量。如前所述，最后一步是將dq組件轉(zhuǎn)換回定子參考系，以實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
所描述的過(guò)程僅是FOC操作的摘要。實(shí)施需要許多相當(dāng)復(fù)雜的臨時(shí)步驟，超出了本文的范圍。如需了解更多可聯(lián)系鑫海文
所需的臨時(shí)步驟包括：
確定電機(jī)的特性（無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器電機(jī)很少提供比極數(shù)和電壓和電流額定值更多的銘牌信息）。
轉(zhuǎn)子位置估算（實(shí)施FOC控制的關(guān)鍵信息）
設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓β士刂品桨?/span>
設(shè)計(jì)扭矩和速度控制器
從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)完整的，功能強(qiáng)大的基于FOC的電機(jī)控制系統(tǒng)是令人畏懼的，包括德州儀器，Atmel和恩智浦半導(dǎo)體在內(nèi)的半導(dǎo)體公司已經(jīng)創(chuàng)建了開(kāi)發(fā)工具，從而簡(jiǎn)化了FOC更簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的大部分復(fù)雜性。一般而言，IC供應(yīng)商還選擇通過(guò)將開(kāi)發(fā)工具使用的軟件庫(kù)存儲(chǔ)在ROM中并使其僅在選定的MCU上可用來(lái)保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
如前所述，精確的電機(jī)控制依賴于創(chuàng)建精確的電機(jī)模型.InstaSPIN-FOC包括一種稱為“觀察者”的專有軟件算法，可估算轉(zhuǎn)子磁通，角度，速度和轉(zhuǎn)矩（FAST）。InstaSPIN-FOC還提供電機(jī)參數(shù)識(shí)別功能，可在開(kāi)發(fā)過(guò)程中離線提取必要的性能參數(shù)，并在運(yùn)行期間在線跟蹤參數(shù)。
電機(jī)參數(shù)信息用于調(diào)節(jié)當(dāng)前控制帶寬。與其他技術(shù)不同，TI的FAST觀察器完全自我調(diào)整，無(wú)需對(duì)正確操作進(jìn)行調(diào)整。TI聲稱它是市場(chǎng)上唯一強(qiáng)大且“即時(shí)”運(yùn)行的無(wú)傳感器FOC解決方案。
因此，設(shè)計(jì)人員可以在開(kāi)始開(kāi)發(fā)的幾分鐘內(nèi)擁有完全調(diào)諧的無(wú)傳感器觀察器和完全調(diào)諧且穩(wěn)定的。
鑫海文長(zhǎng)期致力于無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器方案的研發(fā)，高壓/低壓無(wú)刷驅(qū)動(dòng)器的研發(fā)生產(chǎn)。鑫海文擁有豐富開(kāi)發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)研發(fā)技術(shù)團(tuán)隊(duì)。選擇鑫海文，個(gè)性化定制專業(yè)解決方案。
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