无人机无刷电机驱动器方案
来源：深圳市鑫海文科技有限公司|发布时间：2019-07-08 20:53
无刷直流电机（无刷驱动器）电机广泛用于电子设备设计，例如磁盘驱动器，冷却风扇和DVD播放器，因为它们具有长寿命周期，以DC电源运行并且相对便宜。通常，无刷驱动器的速度和扭矩由采用标量技术的MCU控制。
一种新的应用正在出现，其特点是四旋翼无人机已成为业余爱好者的热门。无人机也被考虑用于监视等众多商业应用。对这些应用尤其重要的是控制器的动态响应以及在低速下无传感器和稳定地控制无刷驱动器的能力。
对于具有动态变化负载的应用，标量技术不够精确。通过使用磁场定向控制（FOC）技术可以显着提高精度，这些技术通常用于驱动高端工业交流设备。通过实施FOC，无刷驱动器能够以合理的成本为无人机和其他高性能应用（如医疗机器人，万向节系统和自动驾驶汽车）提供精确控制。
过去设计这类产品并非易事。它涉及对FOC或其他一些先进，精密的电机控制技术的理解，如直接转矩控制（DTC），以及专业软件开发系统的操作知识。当应用程序对成本敏感时-例如带有可能被执法部门使用的监控摄像机的无人机-那么表征廉价的无刷驱动器电机也是一个挑战。
磁场定向控制（FOC）
用于控制无刷驱动器电机的传统标量技术称为六步（或梯形）控制。定子以六步过程驱动，该过程在产生的扭矩上产生振荡。每对绕组都通电，直到转子到达下一个位置，此时电机换向到下一步。对于无传感器应用，定子绕组中产生的反电动势通常用于确定转子位置。
标量控制的动态响应无法处理具有快速变化的动态负载的应用程序。因此，矢量控制已经变得越来越流行，适用于从交流电机驱动的白色家电（如洗衣机）到电池供电产品的各种应用。
FOC是最常用的载体控制方法之一。它的工作原理是管理定子绕组，以保持转子永磁体产生的磁通与定子磁场正交。
FOC最初是为控制三相交流电动机而开发的。鉴于用于小型无人机的无刷驱动器的电源是21V（五节锂聚合物）电池，电子元件必须包括低压三相逆变器系统。其他主要组件是电机驱动器，MCU，也许最重要的是执行FOC算法的软件。
FOC处理在直接正交（dq）域中执行，该域是旋转参考帧。直接和正交分量是将磁链状态向量分解为两个分量：通量-（d）和转矩（q）-产生分量。这种关系如图1所示。电机定子绕组中的电流受到控制，以保持转子永磁体产生的磁通与定子磁场正交（90°）。除了产生精确的电机控制外，这还提供了极其精确的转矩控制，这是在dq参考系中运行的真正优势。
FOC需要三个域变换：（1）定子中测量的相电流从3相静态参考系转换为静态2相参考（α，β）;（2）将2相静态参考系转换为与转子磁通对齐的旋转两相参考系统（dq）;（3）为了实际驱动电动机，将dq分量反变换为定子参考系，并用于空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）。
需要详细的转子位置信息以使dq参考系与转子对准。转子位置估计技术的范围从相对简单的反电动势过零检测到复杂的滑模观测器和扩展卡尔曼滤波器。
驱动电机
从静态3相参考帧到2相dq参考帧的变换导致前面提到的直接和正交分量。直接（d）部件没有提供有用的扭矩，事实上，往往会增加电机轴承的磨损。一个目标是最小化该组件。正交（q）分量产生实际的电动机扭矩，并由应用决定。
将dq分量应用于两个PI（比例-积分）控制器，分别参考零和应用扭矩设置以产生矢量输出。两个PI控制器的输出是所需定子电压空间矢量的（新）直接和正交电压分量。如前所述，最后一步是将dq组件转换回定子参考系，以实际驱动电机。
所描述的过程仅是FOC操作的摘要。实施需要许多相当复杂的临时步骤，超出了本文的范围。如需了解更多可联系鑫海文
所需的临时步骤包括：
确定电机的特性（无刷驱动器电机很少提供比极数和电压和电流额定值更多的铭牌信息）。
转子位置估算（实施FOC控制的关键信息）
设计适当的功率控制方案
设计扭矩和速度控制器
从头开始设计一个完整的，功能强大的基于FOC的电机控制系统是令人畏惧的，包括德州仪器，Atmel和恩智浦半导体在内的半导体公司已经创建了开发工具，从而简化了FOC更简单实现设计的大部分复杂性。一般而言，IC供应商还选择通过将开发工具使用的软件库存储在ROM中并使其仅在选定的MCU上可用来保护其知识产权。
如前所述，精确的电机控制依赖于创建精确的电机模型.InstaSPIN-FOC包括一种称为“观察者”的专有软件算法，可估算转子磁通，角度，速度和转矩（FAST）。InstaSPIN-FOC还提供电机参数识别功能，可在开发过程中离线提取必要的性能参数，并在运行期间在线跟踪参数。
电机参数信息用于调节当前控制带宽。与其他技术不同，TI的FAST观察器完全自我调整，无需对正确操作进行调整。TI声称它是市场上唯一强大且“即时”运行的无传感器FOC解决方案。
因此，设计人员可以在开始开发的几分钟内拥有完全调谐的无传感器观察器和完全调谐且稳定的。
鑫海文长期致力于无刷驱动器方案的研发，高压/低压无刷驱动器的研发生产。鑫海文拥有丰富开发应用经验的专业研发技术团队。选择鑫海文，个性化定制专业解决方案。
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