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无人机设计的关键是能够控制电动机的速度和旋转。大多数无人机由无刷直流电动机提供动力，这需要不断调节速度和旋转方向。电子速度控制(ESC)模块执行这些功能，并包括电源级，电流感测电路，微控制器以及与飞行控制系统的通信接口，因此使其成为无人机的基础。本文介绍了在设计ESC时要考虑的重要元素以及市场的开发解决方案。
电机控制
ESC的设计需要仔细评估和分析特性，可总结如下：
无人机上可以安装两种类型的无刷电动机：无刷直流电动机(BLDC)和无刷交流电动机(BLAC)，也称为永磁同步电动机(PMSM)。使用哪种类型的电动机的选择受所选控制算法的影响，该算法可以是梯形控制或磁场定向控制(FOC)。梯形电动机控制算法具有以下主要特征：
- 检测转子的磁角，用于设置正确的角度;每一步对应一个60°角
- 在无传感器控制系统中，通过测量反电动势相电压来估算开关角度
另一方面，FOC控制算法具有以下功能：
- 转子角度检测的最小精度为1°至5°，从而确保算法始终能够提供最大扭矩
在无传感器控制系统中，电动机的磁角是根据电动机的相电压和电流来估算的。它的位置通过监视电动机的某些电气参数来确定，而无需使用其他传感器。无人机中最常用的类型是无刷直流电动机，这是由于其体积小，成本相对较低以及耐用性和鲁棒性高。
大多数无人机至少有四个电机，其中最常用的是四电机版本。ESC负责控制每个电动机的速度，因此，最常见的无人机架构涉及为每个电动机专用的ESC。所有ESC都必须能够通过飞行控制器直接或间接相互通信，以便轻松控制无人机。每个电动机旋转的方向也很重要：在四轴飞行器中，一对电动机沿一个方向旋转，而另一对电动机则沿相反方向旋转。
ESC制造商最常使用的电动机控制技术是磁场定向控制，即一种控制电动机转矩和速度的技术。如果正确实施，FOC甚至可以处理快速的加速度变化而不会产生不稳定性，从而使无人机能够执行复杂的机动，同时最大限度地提高效率。
下面的图1中的框图显示了一个FOC架构，其中包括以下组件：
- Clarke，Park和Inverse Park变换可实现从静止帧到旋转同步帧的转换
- 一种空间矢量调制器算法，可将vα和vβ命令转换为应用于定子绕组的脉宽调制信号
- 如果需要无传感器控制，则可选观察者来估计转子的角位置
图1：面向字段的控制框图
设计FOC的电机控制工程师要执行多项任务，包括使用两个用于电流回路的PI控制器开发控制器架构，优化所有PI控制器的增益以满足性能要求，以及设计空间矢量调制器来控制PWM。
一旦选择了控制算法(梯形或FOC)，下一步就是在开环或闭环控制系统之间进行选择。在开环控制中，同步电机(BLDC或BLAC)通过控制信号驱动，并假定遵循命令的控制动作。在闭环控制系统中，电路能够检查电动机是否按预期运行。如果不是，则控制系统通过减小或增大电流来自动补偿过度运动或运动不足。
当使用闭环或开环(无传感器)控制系统时，必须测量电流和电压以用作反馈信号。图2显示了适用于梯形和正弦控制系统的典型测量设置。通过将梯形控制与无传感器算法结合使用，无传感器算法将使用三相电压来计算转子角。
图2：具有无传感器电机控制的ESC
四旋翼动力
无人机的机械简单性和空气动力学稳定性与电动机及其操纵的协调使用有关。在四轴飞行器中，位于结构对角线上的一对电机在与其他两个电机相同的方向但相反的方向上旋转。如果所有四个电机都以相同的速度旋转，则无人机可以爬升，下降或保持水平飞行。如果对角线的旋转速度快于另一对角线，则无人机将绕其重心旋转并保持在同一水平面内(图3)。
图3：无人机使用转子速度的不同组合来执行机动
如果更改头(或尾)旋翼的速度，则无人机将像固定翼飞机向下俯冲那样指向上方或下方。左右扭矩调整将导致无人机滚动，使其绕其轴旋转。决定适当的旋翼速度以达到完成所需机动所需的飞行高度，取决于无人机的飞行控制系统。
对于控制工程师而言，速度校正是一个常见的控制回路反馈问题，可通过比例积分微分(PID)控制器解决。
设计电调
为无人机设计ESC时，需要专门设计用于控制高RPM电动机(12,000+ RPM)的高质量组件
PCBA生产
图片来源由恒天伟业科技提供 |
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