小型直流電動機的磁場定向控制放無人駕駛飛機在上升飛行軌跡

動翻譯，供參考

小型直流電動機的磁場定向控制放無人駕駛飛機在上升飛行軌跡

無刷直流(BLDC)電動機廣泛用于電子設備的設計，如磁盤驅動器，冷卻風扇，和DVD播放機，因為它們具有生命周期長，在直流電源上運行，并且相對便宜。通常，BLDCs的速度和扭矩由微控制器使用標量的技術來控制。

一類新的應用正在形成一個由quadrotor無人駕駛飛機，已成為流行的業(yè)余愛好者為代表。無人機也正在考慮類似的監(jiān)視眾多的商業(yè)應用。這些應用特別重要的是在控制器的動態(tài)響應和其在低速sensorlessly和穩(wěn)定地控制BLDCs能力。

標量技術是不夠精確的動態(tài)改變負載的應用。精度可以通過使用磁場定向控制(FOC)技術，該技術通常用于推動高端工業(yè)AC設備可以顯著改善。通過實施FOC，BLDCs可以提供精確的控制，無人駕駛飛機和其他高性能應用，如醫(yī)療機器人，萬向系統(tǒng)，并以合理的成本自主車。

在過去設計這類產(chǎn)品并不容易。它涉及的FOC或一些其它高級，復雜的電機控制技術的理解，如直接轉矩控制(DTC)，以及專門的軟件開發(fā)系統(tǒng)的操作知識。當應用程序也是成本敏感的 - 例如一個監(jiān)控攝像頭，可能被用于執(zhí)法無人駕駛飛機 - 那么表征便宜的BLDC電機也提出了挑戰(zhàn)。

磁場定向控制(FOC)

用于控制BLDC電機的常規(guī)標量技術被稱為六步(或梯形)的控制。定子被驅動在六個步驟，其產(chǎn)生的轉矩產(chǎn)生振蕩。每對繞組通電，直至轉子達到在該點馬達被換向到下一個步驟的下一個位置。對于傳感器應用中，反電動勢在定子繞組通常被用來確定轉子位置產(chǎn)生的。

標量控制的動態(tài)響應是無法處理的應用與快速變化的動態(tài)負載。其結果是，矢量控制已經(jīng)變得越來越流行用于各種從交流電機驅動的白色產(chǎn)品的應用，如洗衣機，以電池供電的產(chǎn)品。

FOC是用于矢量控制的最常用的方法之一。它的工作原理通過管理定子繞組保持由轉子的垂直于定子激磁用永久磁鐵產(chǎn)生的磁通。

FOC最初被開發(fā)以控制三相交流電機。鑒于用動力源在小無人駕駛飛機中使用的BLDCs是一個21 V(5-細胞鋰聚合物)電池，電子元件必須包括一個低電壓的三相逆變器系統(tǒng)。其它主要部件包括電機驅動器，MCU，也許最重要的是，執(zhí)行FOC算法的軟件。

在直接正交(DQ)域，這是參照一個旋轉框架進行FOC處理。的直接和正交分量是交鏈磁通的狀態(tài)向量分解成兩部分：flux-(d)和轉矩(q)的-producing組件。這種關系的圖示于圖1電機中的電流的定子繞組被控制，以保持由轉子的正交永久磁鐵(90°)到定子磁場所產(chǎn)生的磁通。除了生產(chǎn)精確的電機控制，這也提供了非常精確的轉矩控制，這是在dq坐標系經(jīng)營的真正優(yōu)勢。

直接正交的(d-q)的力分量的圖像

FOC嗣繼承三結構域的變換：(1)在定子實測相電流從三相靜止參考幀被轉換為一個靜止2相位參考(α，β); (2)在兩相靜止參考幀被變換成在旋轉兩相參考系統(tǒng)(DQ)是與轉子磁通對齊;和(3)為了實際驅動電機，在dq組件回變換到定子基準幀和用于空間矢量脈寬調制(SVPWM)。此過程示于圖2。

需要FOC控制域變換的圖像

圖2：需要FOC控制域的轉換。

詳細轉子位置信息是必需的，以便使與轉子在dq坐標系。轉子位置估計技術的范圍從相對簡單，反電動勢過零檢測到復雜的滑模觀察員和擴展卡爾曼濾波器。

驅動電機

變換從靜態(tài)三相參考幀到2相的dq坐標系的結果在先前提到的直接和正交分量。直接(D)成分不提供有用扭矩，事實上，趨向于增加電機軸承的磨損。一個目標是最小化這個組件。正交(Q)分量產(chǎn)生實際電機轉矩和由應用程序確定的。

在dq分量加到2的PI(比例 - 積分)控制器參照零，并且應用扭矩設定分別以產(chǎn)生一個矢量輸出。兩個PI控制器的輸出是(新的)直接和正交電壓所需的定子電壓空間矢量的分量。如前所述，最后一步是將在dq組件回定子參考幀以實際驅動電機。

所描述的過程是僅FOC操作的匯總。實現(xiàn)要求相當復雜，超出了本文的范圍眾多的中間步驟。 FOC的，是專門直接關系到小型無人駕駛飛機的更完整的討論中可以找到“高性能電機控制，”論文由中央昆士蘭大學，Australia.1的帕特里克·費希爾

其中包括所需的臨時步驟是：

確定所述電機的特性(BLDC電機很少提供比極和電壓和電流額定值的數(shù)目更多銘牌信息)。

轉子位置估計(用于實現(xiàn)FOC控制關鍵信息)

設計一個合適的電源控制方案

設計轉矩和轉速控制器

從地上爬起來設計一個完整的，功能FOC型電機控制系統(tǒng)非常艱巨的半導體公司，包括德州儀器，Atmel公司和恩智浦半導體已創(chuàng)建開發(fā)工具，去除大部分的復雜性從簡單的實現(xiàn)FOC的設計。在一般情況下，IC供應商也選擇通過存儲在ROM中所使用的開發(fā)工具的軟件庫，使它們只能在特定的MCU來保護自己的知識產(chǎn)權。

德州儀器(TI)，例如，已在TI的C2000短笛32位MCU系列三種型號的InstaSPIN-FOC解決方案可供選擇：F2806x，F(xiàn)2805x和推出的F2802x。對于小型無人機的應用，是非常敏感的成本，最合適的MCU是推出的F2802x MCU系列的成員，與最流行的特定設備作為TMS320F28027FPTT。

如前所述，精確的電機控制依賴于創(chuàng)建電動機的精確模型。 InstaSPIN-FOC包括被稱為“觀察者”來估計轉子磁鏈，角度，速度專有軟件算法和扭矩(FAST)。 InstaSPIN-FOC還提供電機參數(shù)辨識的發(fā)展過程中脫機提取必要的性能參數(shù)和運行過程中的在線跟蹤參數(shù)。

電動機參數(shù)信息用于調諧電流控制帶寬。不同于其他技術，TI的FAST觀測完全是自我調整，需要進行正確操作沒有任何調整。 TI聲稱它是唯一的健壯和“瞬間”操作傳感器，F(xiàn)OC市場上的解決方案。

因此，設計人員可以有一個完全調整傳感器觀測和啟動發(fā)展分鐘內完全調整好并且穩(wěn)定的FOC轉矩控制系統(tǒng)。在如螺旋槳控制的應用程序，留給設計者的唯一任務是檢驗和調整的單一的PI速度控制環(huán)路所需的性能和操作。

基本驅動系統(tǒng)的簡化版本顯示在圖3中的速度的PI控制器的輸出被連接作為用于PI-電流控制器輸入的參考信號。如果速度過低，則馬達的電流增加，以產(chǎn)生更大的扭矩以加快其速度。相反，如果電動機太快，電動機的轉矩降低到使電機減速?？傊?，這兩個PI控制形成級聯(lián)控制環(huán)路，這意味著一個控制系統(tǒng)，它包括一個外環(huán)與一種或多種內循環(huán)。 (變量的Kd，Kd值，嘉，和KB在圖中由電機控制軟件生成的系數(shù)。)

德州儀器速度控制器的圖像級聯(lián)的電流控制器

圖3：級聯(lián)電流控制器速度控制器。 (禮貌德州儀器)

關鍵部件

除了MCU，其他一些關鍵部件也值得一提。三相驅動器和逆變器系統(tǒng)是必需的。低電流應用，如小扭矩無人機可以使用部分來自TI DRV83x2系列集成三相電機驅動器(如DRV8332DKDR)。該DRV83x2系列包含因各種故障情況設計便于系統(tǒng)集成和易用性，以及維護永久性故障的設備先進的保護電路，如短路，過流，過熱，欠壓。

可能在商業(yè)應用中使用的高電流的系統(tǒng)需要一個獨立的預驅動器如DRV8301DCAR并在一個三相逆變器配置個別的FET。一個例子是TI的CSD18533Q5A NexFET功率MOSFET。

發(fā)展軟件與FOC型電機控制應用成功的關鍵。 TI開發(fā)了一套包括在BoosterPack BOOSTXL-DRV8301電機驅動開發(fā)軟件。它通常是在6至24個V和多達10個的連續(xù)的最佳選擇。這需要一個控制板等C2000短笛TMS320F28027F的LaunchPad與InstaSPIN-FOC - 如LAUNCHXL-F28027F。對于小于3.5的連續(xù)電機，DRV8312-69M-KIT通常是更好的選擇。

TI的產(chǎn)品系列顯得更加符合低電壓，比其他廠商的低扭矩應用程序，但一些提供電機控制開發(fā)套件為好。恩智浦半導體提供電機控制開發(fā)套件BLDCs。該OM13068 LPC1549 LPCXpresso電機控制套件用于與該公司的LPC1549JBD48QL MCU。這個平臺可以用來控制BLDC，BLAC，踏步機，及雙刷直流電機。

使用這些組件的設計可以在性能方面市售馬達控制器，用于小BLDC電機進行比較。定制的FOC控制器和商業(yè)控制器之間的最顯著差異如毛絨40是其整流在非常低的速度的能力。在FOC控制器可以在約100轉的速度控制所有四臺電機。此外，利用InstaSPIN的速度環(huán)電機開發(fā)這些低轉速扭矩顯著。

自定義FOC板還可以實現(xiàn)最高電機速度比商業(yè)控制器更快。平均來說，自定義的FOC控制器是在轉換從零的馬達，以全速快35%。此外，根據(jù)FOC控制各電動機的空載速度比任何商業(yè)控制器tested.1更快

結論

一類新的電機控制應用正在興起，需要小的BLDC電機優(yōu)異的動態(tài)響應。應用領域包括醫(yī)療機器人，萬向系統(tǒng)，自主車和小型無人駕駛飛機。雖然FOC電機控制技術已經(jīng)使用了幾十年的交流工業(yè)和白色家電馬達，他們沒有被應用到小型電機搭載的電池組，因為該技術是先進的，并需要高性能的MCU。在過去的幾年中，然而，新產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，使這種可能性成為現(xiàn)實。