想讓你的無人機飛得更穩(wěn)更久？看這文就夠了

esc模塊是非軍用無人機中非常重要的子系統(tǒng)；如果用戶需要更高效的機型來實現(xiàn)更長的飛行時間、更好的動態(tài)行為和更加平順、穩(wěn)定的性能，那么非常適合使用此類模塊。ti的設計采用了通常用于無人飛行器(uav)或無人機的電子調(diào)速器(esc)。

速度控制通過無傳感器的方式完成，并使用foc速度控制技術對電機進行了電氣頻率高達1.2khz(對于6極對電機而言為12krpm)的測試。

無人機 esc高速無傳感器foc參考設計擁有一流的foc算法實施，可實現(xiàn)更長的飛行時間、更佳的動態(tài)性能，且具有更高的集成度，因此電路板尺寸更小，bom組件更少。

無傳感器高速foc控制技術使用ti的fatm軟件觀測器，利用了instaspin-motiontm c2000tm launchpadtm和drv8305 boosterpacktm。

特性

instaspin-foc?無傳感器foc可實現(xiàn)更高的動態(tài)性能。經(jīng)測試高達12,000 rpm（使用3節(jié)鋰聚合物電池）；

高動態(tài)性能：在不到0.2s時間內(nèi)達到1 krpm到10 krpm（電氣頻率100hz至1khz）轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)高性能偏轉(zhuǎn)和俯仰動作；

適于完成翻轉(zhuǎn)動作的快速翻轉(zhuǎn)能力；

由于塊交換上更高的foc效率，可實現(xiàn)更長的飛行時間；

更高的pwm開關頻率（經(jīng)測試高達60khz），可針對低電感高速電機降低電流/扭矩紋波，并且可以避免超聲波傳感器；

由于instaspin-foc的自動電機參數(shù)識別，縮短了上市時間：自動調(diào)優(yōu)無傳感器foc解決方案；

針對繞組電阻變化進行電機溫度估算，以保護電機在臨時過載情況下免受損壞。

應用領域

無人機和uav

高速電機

電池供電的電動工具

1.系統(tǒng)說明

就無人機而言，完整無人機飛行系統(tǒng)包含的不同子系統(tǒng)通常涉及到以下模塊定義。

無人機飛行系統(tǒng)模塊

（1）無人機的esc功能要求

esc定義了無人機的動態(tài)運動性能和飛行時間。無人機必須能夠完成的一些運動模式包括:

精確運動模式:航行、懸停

快速運動模式: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

為了提供這些功能，需要使用優(yōu)秀的esc來控制所用電機在所有速度下產(chǎn)生的升力。這樣一來，基于位置傳感器模塊的穩(wěn)定算法可以補償影響無人機的振動和外力。

能夠改變的電機速度越快，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以高度變化的速度運行的情況下(使用動態(tài)性較差的esc時便屬于這種情況)所需的能量。

（2）正弦控制型esc模塊

以1到5度的最小精度測量轉(zhuǎn)子的磁場角度，從而使用foc算法確保最大扭矩，或根據(jù)電機的相電壓和相電流估算轉(zhuǎn)子磁角(無傳感器算法)。

下圖顯示三個相位的典型pwm高側和低側圖形，并顯示了以正弦控制方式運行電機時消除pwm載波后的相應理想濾波相電壓。

生成理想的pwm正弦相電壓

在開環(huán)控制中，同步電機(bldc或blac)由控制信號進行盲目驅(qū)動，并假定該電機會跟隨指定的控制動作。

為確保電機正確運行，需要在繞組上施加比理想電流更大的電流來強制該運動。最終，這是開環(huán)控制電機與閉環(huán)控制電機相比系統(tǒng)效率降低的主要原因。

在閉環(huán)控制中，電機控制系統(tǒng)能夠測試電機是否按照預期運行。如果不能按預期運行，控制環(huán)路會自動通過減少或增加電流進行補償。

無論是使用閉環(huán)控制還是使用無傳感器算法，都必須測量電流和電壓信號，以便將這些信號用作反饋信號。

對于正弦控制，應測量最多三個分流電流。進行電壓測量時，應選擇僅測量dc link電壓還是同時測量三相電壓和dc link電壓。

（3）電子調(diào)速器(esc)

無人機的發(fā)動機運行速度必須按照無人機的重量和螺旋槳的尺寸確定，以便產(chǎn)生無人機飛行所需的升力。為無人機設計的典型三相無刷電機具有以下常見特性:

低電感

低電阻

兩到八個極對

1000hz或更高的電氣頻率

該電機采用優(yōu)化設計，可由包含兩節(jié)至六節(jié)電池(即7.4v至22.2v直流電壓)的鏗聚合物電池供電。這些電壓用于設計所選電機的最大速度。

此處的一個常見問題是以最大速度運行接近veus的電機，因為此處的foc算法和無傳感器算法都必須足夠出色才能支持此運行方式。

本報告中使用的esc適用于使用無傳感器算法的三相無刷電機。該esc模塊的組件如下圖所示。

無人機esc的框圖

2.系統(tǒng)規(guī)格

本系統(tǒng)需要一個具有感能力的三相半橋功率級，以便生成無傳感器算法所需的反饋信號。

此功率級必須由包含兩節(jié)至六節(jié)電池(即veus為7.4v至22.2v)的鏗聚合物電池供電。

由于電機和依賴于頻率的傳感器具有較低的時間常數(shù)，因此pwm頻率較高；典型的電流設計使用大約45khz至60khz的pwm頻率，并有進一步增加的趨勢。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。

3.原理方框圖

系統(tǒng)方框圖

4.核心器件

（1）tm s320f2806xf

f2806xf piccolotm系列微控制器(mcu)將c28x內(nèi)核和控制律加速器(cla)的性能與高度集成的控制外設整合到低引腳數(shù)的器件中。

一個內(nèi)部穩(wěn)壓器實現(xiàn)了單電源軌運行。高分辨率脈寬調(diào)制器(hrpwm)模塊經(jīng)過強化以實現(xiàn)雙邊沿控制(頻率調(diào)制)。該器件內(nèi)還新增了采用10位內(nèi)部基準的模擬比較器，可通過與其直接相連來控制epwm輸出。

adc可在ov至3.3v的固定滿量程范圍內(nèi)實施轉(zhuǎn)換，并支持比例式 vrefhi/vreflo基準。adc接口已針對低開銷和延遲進行了優(yōu)化。

該器件在專用于執(zhí)行的rom中包含專用的電機控制軟件以實現(xiàn)instaspin-foc 解決方案，并通過motorware提供系統(tǒng)軟件支持。

（2）drv8305

drv8305是一款適用于三相電機驅(qū)動應用的柵極驅(qū)動器ic而設計。該器件提供三個高精度修整和溫度補償?shù)陌霕蝌?qū)動器，每個驅(qū)動器能夠驅(qū)動一個高側和低側增強模式n溝mosfet。

drv8305具有三個基于電流器的電流檢測放大器，可實現(xiàn)對電流的精確測量，支持100%占空比，并且具有多級保護。通過串行外設接口(spi)可以對該柵極驅(qū)動器進行編程。

（3）lmr16006

該pwm直流/直流降壓穩(wěn)壓器具有4v至60v的寬輸入電壓范圍，適用于從工業(yè)到汽車的廣泛應用中非穩(wěn)壓電源的電源調(diào)節(jié)。該穩(wěn)壓器在eco模式下的待機電流為28μa，非常適合電池供電類系統(tǒng)。

（4）csd18540q5b

這款款 60v 1.8mω son 5mm×6mm nexfet? 功率mosfet可用于最大限度地降低電源轉(zhuǎn)換應用中的損耗。

bom物料清單

5.pcb

下圖分別顯示了launchpad和boosterpack pcb的頂部和底部圖片。

完整系統(tǒng)電路板圖片(頂視圖)

launchpad電路板圖片(頂視圖)

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