無人機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是能夠控制電動(dòng)機(jī)的速度和旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)無人機(jī)由無刷直流電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)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(jí)，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(jī)的基礎(chǔ)。本文介紹了在設(shè)計(jì)ESC時(shí)要考慮的重要元素以及市場的開發(fā)解決方案。

　　電機(jī)控制

　　ESC的設(shè)計(jì)需要仔細(xì)評估和分析特性，可總結(jié)如下：

• 　　無人機(jī)上安裝的電池
• 　　馬達(dá)
• 　　可用預(yù)算
• 　　電磁兼容性(EMC)和抗干擾性

　　無人機(jī)上可以安裝兩種類型的無刷電動(dòng)機(jī)：無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDC)和無刷交流電動(dòng)機(jī)(BLAC)，也稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)。使用哪種類型的電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)控制算法具有以下主要特征：

• 　　基于六相開關(guān)序列的電機(jī)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(gè)60°角
• 　　在無傳感器控制系統(tǒng)中，通過測量反電動(dòng)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(jìn)行電機(jī)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(dòng)機(jī)的磁角是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的相電壓和電流來估算的。它的位置通過監(jiān)視電動(dòng)機(jī)的某些電氣參數(shù)來確定，而無需使用其他傳感器。無人機(jī)中最常用的類型是無刷直流電動(dòng)機(jī)，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(jī)至少有四個(gè)電機(jī)，其中最常用的是四電機(jī)版本。ESC負(fù)責(zé)控制每個(gè)電動(dòng)機(jī)的速度，因此，最常見的無人機(jī)架構(gòu)涉及為每個(gè)電動(dòng)機(jī)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(jī)。每個(gè)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向也很重要：在四軸飛行器中，一對電動(dòng)機(jī)沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，而另一對電動(dòng)機(jī)則沿相反方向旋轉(zhuǎn)。

　　ESC制造商最常使用的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)是磁場定向控制，即一種控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的技術(shù)。如果正確實(shí)施，F(xiàn)OC甚至可以處理快速的加速度變化而不會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性，從而使無人機(jī)能夠執(zhí)行復(fù)雜的機(jī)動(dòng)，同時(shí)最大限度地提高效率。

　　下面的圖1中的框圖顯示了一個(gè)FOC架構(gòu)，其中包括以下組件：

• 　　電流控制器由兩個(gè)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(shí)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(hào)
• 　　保護(hù)和輔助功能，包括啟動(dòng)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(jì)轉(zhuǎn)子的角位置

圖1：面向字段的控制框圖

• 　　設(shè)計(jì)FOC的電機(jī)控制工程師要執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，包括使用兩個(gè)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(jì)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(jìn)行選擇。在開環(huán)控制中，同步電機(jī)(BLDC或BLAC)通過控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)，并假定遵循命令的控制動(dòng)作。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電路能夠檢查電動(dòng)機(jī)是否按預(yù)期運(yùn)行。如果不是，則控制系統(tǒng)通過減小或增大電流來自動(dòng)補(bǔ)償過度運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)不足。

　　當(dāng)使用閉環(huán)或開環(huán)(無傳感器)控制系統(tǒng)時(shí)，必須測量電流和電壓以用作反饋信號(hào)。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(jì)算轉(zhuǎn)子角。

圖2：具有無傳感器電機(jī)控制的ESC

　　四旋翼動(dòng)力

　　無人機(jī)的機(jī)械簡單性和空氣動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性與電動(dòng)機(jī)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(jī)在與其他兩個(gè)電機(jī)相同的方向但相反的方向上旋轉(zhuǎn)。如果所有四個(gè)電機(jī)都以相同的速度旋轉(zhuǎn)，則無人機(jī)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(jī)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(jī)使用轉(zhuǎn)子速度的不同組合來執(zhí)行機(jī)動(dòng)

　　如果更改頭(或尾)旋翼的速度，則無人機(jī)將像固定翼飛機(jī)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(jī)滾動(dòng)，使其繞其軸旋轉(zhuǎn)。決定適當(dāng)?shù)男硭俣纫赃_(dá)到完成所需機(jī)動(dòng)所需的飛行高度，取決于無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)。

　　對于控制工程師而言，速度校正是一個(gè)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(jì)電調(diào)

　　為無人機(jī)設(shè)計(jì)ESC時(shí)，需要專門設(shè)計(jì)用于控制高RPM電動(dòng)機(jī)(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