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(shè)備的設(shè)計，如磁盤驅(qū)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(shù)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(shù)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(shù)，該技術(shù)通常用于推動高端工業(yè)AC設(shè)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(shè)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(shù)的理解，如直接轉(zhuǎn)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(shù)被稱為六步(或梯形)的控制。定子被驅(qū)動在六個步驟，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生振蕩。每對繞組通電，直至轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(qū)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(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩(q)的-producing組件。這種關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)域的變換：(1)在定子實測相電流從三相靜止參考幀被轉(zhuǎn)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(zhuǎn)兩相參考系統(tǒng)(DQ)是與轉(zhuǎn)子磁通對齊;和(3)為了實際驅(qū)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(diào)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(zhuǎn)換。

詳細轉(zhuǎn)子位置信息是必需的，以便使與轉(zhuǎn)子在dq坐標系。轉(zhuǎn)子位置估計技術(shù)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(qū)動電機

變換從靜態(tài)三相參考幀到2相的dq坐標系的結(jié)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(zhuǎn)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(shè)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(qū)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(guān)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(zhuǎn)子位置估計(用于實現(xiàn)FOC控制關(guān)鍵信息)

設(shè)計一個合適的電源控制方案

設(shè)計轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制器

從地上爬起來設(shè)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(shè)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(quán)。

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(shè)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(zhuǎn)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(diào)諧電流控制帶寬。不同于其他技術(shù)，TI的FAST觀測完全是自我調(diào)整，需要進行正確操作沒有任何調(diào)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(shè)計人員可以有一個完全調(diào)整傳感器觀測和啟動發(fā)展分鐘內(nèi)完全調(diào)整好并且穩(wěn)定的FOC轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。在如螺旋槳控制的應用程序，留給設(shè)計者的唯一任務是檢驗和調(diào)整的單一的PI速度控制環(huán)路所需的性能和操作。

基本驅(qū)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(zhuǎn)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(nèi)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(guān)鍵部件

除了MCU，其他一些關(guān)鍵部件也值得一提。三相驅(qū)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(qū)動器(如DRV8332DKDR)。該DRV83x2系列包含因各種故障情況設(shè)計便于系統(tǒng)集成和易用性，以及維護永久性故障的設(shè)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(qū)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(guān)鍵。 TI開發(fā)了一套包括在BoosterPack BOOSTXL-DRV8301電機驅(qū)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(lǐng)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(shù)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(shù)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。