永磁同步电机控制笔记：无人机电机应用概述

青岛大疆守强

随着无人机行业的发展，如今无人机已经深入我们的生活，本文来聊一聊无人机的动力系统，并站在电机控制算法工程师的角度聊一聊无人机电机的控制算法设计，考虑到现在的主流无人机电调方案都使用foc方式，以下内容也主要讨论foc电调算法设计。
1、无人机动力系统

在无人机系统中，动力系统是重中之重，承担了给无人机提供升力的功能。
对动力系统进行分解，可以分为螺旋桨、电机、电调三部分。如下图。


这三部分的分工如下：
电调 => 把电池的直流电转化为驱动电机工作的交流电；
电机 => 把电能转化为机械能；
螺旋桨 => 把机械能转化为升力。
对于动力系统的选型主要关注的参数是最大拉力，系统克效。要保证无人机系统有较好的动态响应能力，要求一定的动力冗余，系统最大拉力建议额定拉力的1.8——2.2倍，穿越机最大拉力建议额定拉力的3倍。根据系统额定起飞重量，确定单轴拉力后查动力系统力效表，确定系统最大功率及额定功率。


以大疆E2000动力系统为例，克效表如图。已知单轴额定拉力，可以查表计算单轴额定电功率。
2、无人机电机应用分析

电调全称电子调速器，故名思意，就是给电机调速的模块。
作为电机控制算法工程师，也可以将电调理解为电机驱动器，要设计一套无人机电机控制算法，首先来看无人机电机应用的特点，总结如下：

• 响应快：为获得较好的整机动态响应性能性能，电机加减速要尽可能的快。
  
• 对重量敏感：要求电机、电调具备尽可能高的功率密度。
  

上述特点便是无人机控制的难点，首先考虑防水性能，结构上可靠，以及无人机转速一般较高等因素，无人机电机往往采用无位置传感器控制方案，上述特点无疑对位置估算算法性能有着极高的要求。
其中响应快要求控制算法有较好的动态响应性能，希望加油门的瞬间电调即输出最大的电流来加速。 另一方面，因为对重量敏感，电机设计追求较高的功率密度，为此电机会设计较高的电频率，且工作在过载工况。电机过载之后必然会有较大的温升较大的电流，引起电机数学模型发生变化，笔者文章永磁同步电机控制笔记：数学模型的非线性对这一现象进行了具体的分析。模型的非线性容易引起角度估算的误差，而较高的电频率则使得系统对角度误差更为敏感，这可以算作无人机电机控制算法的一大难点。
3、无人机电机控制算法

首先，在整个无人机系统中，动力系统受飞控系统控制，飞控系统控制的目标是飞机的姿态，而调整姿态的手段是控制多个螺旋桨的拉力。设计电机控制算法时，要明白这一点，电调接收到的控制信号是升力给定。
而实际的电调控制没有拉力反馈，无法直接进行拉力控制，不过电调的输出拉力跟飞控给定信号线性度越好越有利于飞控的控制。


通过阅读大疆E2000动力系统规格书，看到最大拉力和输入电压有较好的线性度。这是一个令人振奋的消息，直接控制电压系统的响应无疑是最快的，只要让输出电压和输入给定信号程线性关系，输出拉力即可和给定信号有较好的线性关系。
为此，无人机电机控制算法把输入信号线性映射到输出电压 v_s以控制拉力。同时为了使控制效率尽可能的高，会对 id电流进行控制，在 i_q电流小于最大允许值时不进行控制，在 i_q电流大于最大允许值时对其进行限制。
考虑上述对动态响应性能的要求，我们希望在加油门的瞬间马上达到最大限流值，以提供最大的输出转矩，当输出电压达到油门对应的电压时，希望输出电流立马降下来，停止加速，并不能降到过低的水平，这就对算法设计提出了极高的要求。
4、小结

本文属于概述性质，总结无人机电机控制应用相关的要点，对于文章中涉及到的算法不做具体讨论，留到后续文章分解。
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