無人機無刷電機驅動器方案
來源：深圳市鑫海文科技有限公司|發布時間：2019-07-08 20:53
無刷直流電機（無刷驅動器）電機廣泛用??于電子設備設計，例如磁盤驅動器，冷卻風扇和DVD播放器，因為它們具有長壽命周期，以DC電源運行并且相對便宜。通常，無刷驅動器的速度和扭矩由采用標量技術的MCU控制。
一種新的應用正在出現，其特點是四旋翼無人機已成為業余愛好者的熱門。無人機也被考慮用于監視等眾多商業應用。對這些應用尤其重要的是控制器的動態響應以及在低速下無傳感器和穩定地控制無刷驅動器的能力。
對于具有動態變化負載的應用，標量技術不夠精確。通過使用磁場定向控制（FOC）技術可以顯著提高精度，這些技術通常用于驅動高端工業交流設備。通過實施FOC，無刷驅動器能夠以合理的成本為無人機和其他高性能應用（如醫療機器人，萬向節系統和自動駕駛汽車）提供精確控制。
過去設計這類產品并非易事。它涉及對FOC或其他一些先進，精密的電機控制技術的理解，如直接轉矩控制（DTC），以及專業軟件開發系統的操作知識。當應用程序對成本敏感時-例如帶有可能被執法部門使用的監控攝像機的無人機-那么表征廉價的無刷驅動器電機也是一個挑戰。
磁場定向控制（FOC）
用于控制無刷驅動器電機的傳統標量技術稱為六步（或梯形）控制。定子以六步過程驅動，該過程在產生的扭矩上產生振蕩。每對繞組都通電，直到轉子到達下一個位置，此時電機換向到下一步。對于無傳感器應用，定子繞組中產生的反電動勢通常用于確定轉子位置。
標量控制的動態響應無法處理具有快速變化的動態負載的應用程序。因此，矢量控制已經變得越來越流行，適用于從交流電機驅動的白色家電（如洗衣機）到電池供電產品的各種應用。
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，以保持轉子永磁體產生的磁通與定子磁場正交。
FOC最初是為控制三相交流電動機而開發的。鑒于用于小型無人機的無刷驅動器的電源是21V（五節鋰聚合物）電池，電子元件必須包括低壓三相逆變器系統。其他主要組件是電機驅動器，MCU，也許最重要的是執行FOC算法的軟件。
FOC處理在直接正交（dq）域中執行，該域是旋轉參考幀。直接和正交分量是將磁鏈狀態向量分解為兩個分量：通量-（d）和轉矩（q）-產生分量。這種關系如圖1所示。電機定子繞組中的電流受到控制，以保持轉子永磁體產生的磁通與定子磁場正交（90°）。除了產生精確的電機控制外，這還提供了極其精確的轉矩控制，這是在dq參考系中運行的真正優勢。
FOC需要三個域變換：（1）定子中測量的相電流從3相靜態參考系轉換為靜態2相參考（α，β）;（2）將2相靜態參考系轉換為與轉子磁通對齊的旋轉兩相參考系統（dq）;（3）為了實際驅動電動機，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制（SVPWM）。
需要詳細的轉子位置信息以使dq參考系與轉子對準。轉子位置估計技術的范圍從相對簡單的反電動勢過零檢測到復雜的滑模觀測器和擴展卡爾曼濾波器。
驅動電機
從靜態3相參考幀到2相dq參考幀的變換導致前面提到的直接和正交分量。直接（d）部件沒有提供有用的扭矩，事實上，往往會增加電機軸承的磨損。一個目標是最小化該組件。正交（q）分量產生實際的電動機扭矩，并由應用決定。
將dq分量應用于兩個PI（比例-積分）控制器，分別參考零和應用扭矩設置以產生矢量輸出。兩個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組件轉換回定子參考系，以實際驅動電機。
所描述的過程僅是FOC操作的摘要。實施需要許多相當復雜的臨時步驟，超出了本文的范圍。如需了解更多可聯系鑫海文
所需的臨時步驟包括：
確定電機的特性（無刷驅動器電機很少提供比極數和電壓和電流額定值更多的銘牌信息）。
轉子位置估算（實施FOC控制的關鍵信息）
設計適當的功率控制方案
設計扭矩和速度控制器
從頭開始設計一個完整的，功能強大的基于FOC的電機控制系統是令人畏懼的，包括德州儀器，Atmel和恩智浦半導體在內的半導體公司已經創建了開發工具，從而簡化了FOC更簡單實現設計的大部分復雜性。一般而言，IC供應商還選擇通過將開發工具使用的軟件庫存儲在ROM中并使其僅在選定的MCU上可用來保護其知識產權。
如前所述，精確的電機控制依賴于創建精確的電機模型.InstaSPIN-FOC包括一種稱為“觀察者”的專有軟件算法，可估算轉子磁通，角度，速度和轉矩（FAST）。InstaSPIN-FOC還提供電機參數識別功能，可在開發過程中離線提取必要的性能參數，并在運行期間在線跟蹤參數。
電機參數信息用于調節當前控制帶寬。與其他技術不同，TI的FAST觀察器完全自我調整，無需對正確操作進行調整。TI聲稱它是市場上唯一強大且“即時”運行的無傳感器FOC解決方案。
因此，設計人員可以在開始開發的幾分鐘內擁有完全調諧的無傳感器觀察器和完全調諧且穩定的。
鑫海文長期致力于無刷驅動器方案的研發，高壓/低壓無刷驅動器的研發生產。鑫海文擁有豐富開發應用經驗的專業研發技術團隊。選擇鑫海文，個性化定制專業解決方案。
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