無人機(jī)ESC及其高速無傳感器FOC參考設(shè)計(jì)

就無人機(jī)而言，其完整飛行系統(tǒng)一般由飛行控制器（Flight Controller）、電子速度控制器（ESC）、傳感器系統(tǒng)，以及載荷（Payload）、電池組等子系統(tǒng)和模塊組成。其中，電子速度控制器（ESC）
定義了無人機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)性能和飛行時(shí)間，是非軍用無人機(jī)中非常重要的子系統(tǒng)。

1、ESC及電機(jī)性能要求

無人機(jī)必須能夠完成的一些運(yùn)動(dòng)模式包括：
? 精確運(yùn)動(dòng)模式：航行、懸停。
? 快速運(yùn)動(dòng)模式：沿x/y/z方向360°旋轉(zhuǎn)、水平最高速度飛行、垂直最高速度飛行。

圖1、無人機(jī)飛行系統(tǒng)的模塊

為了提供這些功能，需要使用優(yōu)秀的ESC來控制所用電機(jī)在所有速度下產(chǎn)生的升力。這樣一來，基于位置傳感器模塊的穩(wěn)定算法可以補(bǔ)償影響無人機(jī)的振動(dòng)和外力。能夠改變的電機(jī)速度越快，穩(wěn)定算法需要執(zhí)行的速度變化就越少；因此，使用的能量少于無人機(jī)以高度變化的速度運(yùn)行的情況下（使用動(dòng)態(tài)性較差的ESC時(shí)便屬于這種情況）所需的能量。

（1）無人機(jī)電機(jī)

無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度必須按照無人機(jī)的重量和螺旋槳的尺寸確定，以便產(chǎn)生無人機(jī)飛行所需的升力。為無人機(jī)設(shè)計(jì)的典型三相無刷電機(jī)具有以下常見特性：
? 低電感
? 低電阻
? 兩到八個(gè)極對(duì)
? 1000Hz或更高的電氣頻率

該電機(jī)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，可由包含兩節(jié)至六節(jié)電池（即7.4V至22.2V直流電壓）的鋰聚合物電池供電。這些電壓用于設(shè)計(jì)所選電機(jī)的最大速度。此處的一個(gè)常見問題是以最大速度運(yùn)行接近VBUS的電機(jī)，因?yàn)榇颂幍腇OC算法和無傳感器算法都必須足夠出色才能支持此運(yùn)行方式。如果用戶需要更高效的機(jī)型來實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的飛行時(shí)間、更好的動(dòng)態(tài)行為和更加平順、穩(wěn)定的性能，就需要使用ESC模塊。

（2）ESC電機(jī)控制

根據(jù)所要設(shè)計(jì)的無人機(jī)類型，可以對(duì)ESC的性能做出某些妥協(xié)。在設(shè)計(jì)低端無人機(jī)時(shí)，通常使用刷式直流電機(jī)或三相梯形反電動(dòng)勢(shì)控制型電機(jī)，因?yàn)榇祟愲姍C(jī)價(jià)格便宜并且性能在可接受范圍。這些電機(jī)通常采用開環(huán)控制方式運(yùn)行。角度和電流控制都是如此。

中端無人機(jī)通常使用三相梯形反電動(dòng)勢(shì)電機(jī)。與前者的不同之處在于，這種電機(jī)在運(yùn)行時(shí)將采用閉環(huán)角度估算技術(shù)，也可能是采用一種簡(jiǎn)單的電流控制算法，但通常屬于開環(huán)電流控制方式。為了節(jié)省成本，這種電機(jī)使用低性能控制器。

高端無人機(jī)通常使用三相正弦反電動(dòng)勢(shì)電機(jī)。在某些情況下，還使用梯形反電動(dòng)勢(shì)電機(jī)，但會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能比正弦繞組電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能更差。

目前有一種從梯形控制技術(shù)向正弦控制技術(shù)過渡的趨勢(shì)，而這種發(fā)展趨勢(shì)使無傳感器的控制技術(shù)變得更加重要，因?yàn)槭褂媒嵌葌鞲衅鲿?huì)導(dǎo)致解決方案缺乏成本競(jìng)爭(zhēng)力。除了成本之外，此處的第二個(gè)問題在于傳感器所需的高速度。

如果想要構(gòu)建ESC以便開發(fā)無傳感器算法，從而提供足夠出色的角度精度來控制電機(jī)，這當(dāng)然需要付出一些努力。本設(shè)計(jì)采用正弦控制方式，以1到5度的最小精度測(cè)量轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)角度，從而使用FOC算法確保最大扭矩，或根據(jù)電機(jī)的相電壓和相電流估算轉(zhuǎn)子磁角（無傳感器算法）。

2、ESC系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)的ESC適用于使用無傳感器算法的三相無刷電機(jī)，設(shè)計(jì)需要一個(gè)具有上述傳感能力的三相半橋功率級(jí)，以便生成無傳感器算法所需的反饋信號(hào)。此功率級(jí)必須由包含兩節(jié)至六節(jié)電池（即VBUS為7.4V至22.2V）的鋰聚合物電池供電。

圖2、ESC模塊的組件

由于電機(jī)和依賴于頻率的傳感器具有較低的時(shí)間常數(shù)，因此PWM頻率較高；典型的電流設(shè)計(jì)使用大約45kHz至60kHz的PWM頻率，并有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)。其次需要一種與飛行控制器通信的方式，可使用占空比或串行通信方式完成。

LaunchPad和BoosterPack采用單個(gè)電源供電。該電源的電壓范圍為4.4V至45V。功率級(jí)包含用于無刷直流驅(qū)動(dòng)器的三個(gè)半橋。這三個(gè)半橋必須以最大速度為電機(jī)提供功率，使電機(jī)功率可高達(dá)500W。

BoosterPack還支持無傳感器算法所需的電壓和電流檢測(cè)。本示例中需要測(cè)量的是VBUS、三個(gè)相電壓和三個(gè)相電流。電流測(cè)量通過低側(cè)分流器完成，所使用的三個(gè)電流檢測(cè)放大器集成在DRV8305 IC中。

對(duì)于ESC控制器，需要使用TMS320F28069F來提供電機(jī)控制平臺(tái)。使用此器件可以啟用無傳感器反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器算法InstaSPIN-FAST。該算法為客戶提供基于反電動(dòng)勢(shì)的角度估算器，而目前在電機(jī)控制的設(shè)計(jì)階段只需要考慮FOC算法。InstaSPIN-FOC算法是作為BSD授權(quán)的開源軟件包（稱為MotorWare）提供的；通過該軟件包，客戶可以開始使用FOC電機(jī)控制，并且可以使用客戶特有的算法更新和改進(jìn)該算法，從而重點(diǎn)關(guān)注電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)而不是角度估算，這種方式正在取代角度傳感器。

圖3、InstaSPIN-FOC算法的ESC控制器電路圖

3、芯齊齊BOM分析

本參考設(shè)計(jì)出自TI，BOM元件總數(shù)67個(gè)，三個(gè)核心器件DRV8305柵極驅(qū)動(dòng)器、LMR16006穩(wěn)壓器、CSD18540Q5B功率MOSFET也來自TI。

圖4、ESC控制器BOM表

其中，DRV8305是一款適用于三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的柵極驅(qū)動(dòng)器IC的需求。該器件提供三個(gè)高精度修整和溫度補(bǔ)償?shù)陌霕蝌?qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)高側(cè)和低側(cè)增強(qiáng)模式N溝道MOSFET。DRV8305工作電壓4.4V至45V，具有三個(gè)基于電流器的電流檢測(cè)放大器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的精確測(cè)量，支持100%占空比，并且具有多級(jí)保護(hù)。

LMR16006是PWM降壓穩(wěn)壓器，具有4V至60V的寬輸入電壓范圍，關(guān)斷電流1μA，在ECO模式下的待機(jī)電流為28μA，適用于從工業(yè)到汽車的廣泛應(yīng)用中非穩(wěn)壓電源的電源調(diào)節(jié)。

CSD18540Q5B是60V 1.8mΩ的NexFET功率MOSFET，具有超低Qg和Qgd、低熱阻等特點(diǎn)，可用于最大限度地降低電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的損耗。該器件封裝尺寸為5mm×6mm，無鉛端子鍍層，無鹵素，符合RoHS。

圖5、ESC控制器系統(tǒng)電路板

被動(dòng)元件中，C18、C19濾波電容器選擇330μF、50V、+/-20%、0.3歐姆內(nèi)阻的鋁電解電容器，其余均采用X7R介質(zhì)的MLCC陶瓷電容器。

R4、R5、R6電阻器選擇0.007歐姆1%精度的3W功率元件，R8、R9、R10、R14用以調(diào)整電壓標(biāo)度，需采用1%精度0.1W規(guī)格。系統(tǒng)電機(jī)的電氣速度還取決于由串聯(lián)電阻器R14和R16與電容器C22組成的濾波器，R14和R16應(yīng)選擇62.0kΩ和4.99kΩ，且選擇的C22為0.033μF。

審核編輯 黃昊宇