小型直流电动机的磁场定向控制放无人驾驶飞机在上升飞行轨迹

动翻译，供参考

小型直流电动机的磁场定向控制放无人驾驶飞机在上升飞行轨迹

无刷直流(BLDC)电动机广泛用于电子设备的设计，如磁盘驱动器，冷却风扇，和DVD播放机，因为它们具有生命周期长，在直流电源上运行，并且相对便宜。通常，BLDCs的速度和扭矩由微控制器使用标量的技术来控制。

一类新的应用正在形成一个由quadrotor无人驾驶飞机，已成为流行的业余爱好者为代表。无人机也正在考虑类似的监视众多的商业应用。这些应用特别重要的是在控制器的动态响应和其在低速sensorlessly和稳定地控制BLDCs能力。

标量技术是不够精确的动态改变负载的应用。精度可以通过使用磁场定向控制(FOC)技术，该技术通常用于推动高端工业AC设备可以显著改善。通过实施FOC，BLDCs可以提供精确的控制，无人驾驶飞机和其他高性能应用，如医疗机器人，万向系统，并以合理的成本自主车。

在过去设计这类产品并不容易。它涉及的FOC或一些其它高级，复杂的电机控制技术的理解，如直接转矩控制(DTC)，以及专门的软件开发系统的操作知识。当应用程序也是成本敏感的 - 例如一个监控摄像头，可能被用于执法无人驾驶飞机 - 那么表征便宜的BLDC电机也提出了挑战。

磁场定向控制(FOC)

用于控制BLDC电机的常规标量技术被称为六步(或梯形)的控制。定子被驱动在六个步骤，其产生的转矩产生振荡。每对绕组通电，直至转子达到在该点马达被换向到下一个步骤的下一个位置。对于传感器应用中，反电动势在定子绕组通常被用来确定转子位置产生的。

标量控制的动态响应是无法处理的应用与快速变化的动态负载。其结果是，矢量控制已经变得越来越流行用于各种从交流电机驱动的白色产品的应用，如洗衣机，以电池供电的产品。

FOC是用于矢量控制的最常用的方法之一。它的工作原理通过管理定子绕组保持由转子的垂直于定子激磁用永久磁铁产生的磁通。

FOC最初被开发以控制三相交流电机。鉴于用动力源在小无人驾驶飞机中使用的BLDCs是一个21 V(5-细胞锂聚合物)电池，电子元件必须包括一个低电压的三相逆变器系统。其它主要部件包括电机驱动器，MCU，也许最重要的是，执行FOC算法的软件。

在直接正交(DQ)域，这是参照一个旋转框架进行FOC处理。的直接和正交分量是交链磁通的状态向量分解成两部分：flux-(d)和转矩(q)的-producing组件。这种关系的图示于图1电机中的电流的定子绕组被控制，以保持由转子的正交永久磁铁(90°)到定子磁场所产生的磁通。除了生产精确的电机控制，这也提供了非常精确的转矩控制，这是在dq坐标系经营的真正优势。

直接正交的(d-q)的力分量的图像

FOC嗣继承三结构域的变换：(1)在定子实测相电流从三相静止参考帧被转换为一个静止2相位参考(α，β); (2)在两相静止参考帧被变换成在旋转两相参考系统(DQ)是与转子磁通对齐;和(3)为了实际驱动电机，在dq组件回变换到定子基准帧和用于空间矢量脉宽调制(SVPWM)。此过程示于图2。

需要FOC控制域变换的图像

图2：需要FOC控制域的转换。

详细转子位置信息是必需的，以便使与转子在dq坐标系。转子位置估计技术的范围从相对简单，反电动势过零检测到复杂的滑模观察员和扩展卡尔曼滤波器。

驱动电机

变换从静态三相参考帧到2相的dq坐标系的结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，事实上，趋向于增加电机轴承的磨损。一个目标是最小化这个组件。正交(Q)分量产生实际电机转矩和由应用程序确定的。

在dq分量加到2的PI(比例 - 积分)控制器参照零，并且应用扭矩设定分别以产生一个矢量输出。两个PI控制器的输出是(新的)直接和正交电压所需的定子电压空间矢量的分量。如前所述，最后一步是将在dq组件回定子参考帧以实际驱动电机。

所描述的过程是仅FOC操作的汇总。实现要求相当复杂，超出了本文的范围众多的中间步骤。 FOC的，是专门直接关系到小型无人驾驶飞机的更完整的讨论中可以找到“高性能电机控制，”论文由中央昆士兰大学，Australia.1的帕特里克·费希尔

其中包括所需的临时步骤是：

确定所述电机的特性(BLDC电机很少提供比极和电压和电流额定值的数目更多铭牌信息)。

转子位置估计(用于实现FOC控制关键信息)

设计一个合适的电源控制方案

设计转矩和转速控制器

从地上爬起来设计一个完整的，功能FOC型电机控制系统非常艰巨的半导体公司，包括德州仪器，Atmel公司和恩智浦半导体已创建开发工具，去除大部分的复杂性从简单的实现FOC的设计。在一般情况下，IC供应商也选择通过存储在ROM中所使用的开发工具的软件库，使它们只能在特定的MCU来保护自己的知识产权。

德州仪器(TI)，例如，已在TI的C2000短笛32位MCU系列三种型号的InstaSPIN-FOC解决方案可供选择：F2806x，F2805x和推出的F2802x。对于小型无人机的应用，是非常敏感的成本，最合适的MCU是推出的F2802x MCU系列的成员，与最流行的特定设备作为TMS320F28027FPTT。

如前所述，精确的电机控制依赖于创建电动机的精确模型。 InstaSPIN-FOC包括被称为“观察者”来估计转子磁链，角度，速度专有软件算法和扭矩(FAST)。 InstaSPIN-FOC还提供电机参数辨识的发展过程中脱机提取必要的性能参数和运行过程中的在线跟踪参数。

电动机参数信息用于调谐电流控制带宽。不同于其他技术，TI的FAST观测完全是自我调整，需要进行正确操作没有任何调整。 TI声称它是唯一的健壮和“瞬间”操作传感器，FOC市场上的解决方案。

因此，设计人员可以有一个完全调整传感器观测和启动发展分钟内完全调整好并且稳定的FOC转矩控制系统。在如螺旋桨控制的应用程序，留给设计者的唯一任务是检验和调整的单一的PI速度控制环路所需的性能和操作。

基本驱动系统的简化版本显示在图3中的速度的PI控制器的输出被连接作为用于PI-电流控制器输入的参考信号。如果速度过低，则马达的电流增加，以产生更大的扭矩以加快其速度。相反，如果电动机太快，电动机的转矩降低到使电机减速。总之，这两个PI控制形成级联控制环路，这意味着一个控制系统，它包括一个外环与一种或多种内循环。 (变量的Kd，Kd值，嘉，和KB在图中由电机控制软件生成的系数。)

德州仪器速度控制器的图像级联的电流控制器

图3：级联电流控制器速度控制器。 (礼貌德州仪器)

关键部件

除了MCU，其他一些关键部件也值得一提。三相驱动器和逆变器系统是必需的。低电流应用，如小扭矩无人机可以使用部分来自TI DRV83x2系列集成三相电机驱动器(如DRV8332DKDR)。该DRV83x2系列包含因各种故障情况设计便于系统集成和易用性，以及维护永久性故障的设备先进的保护电路，如短路，过流，过热，欠压。

可能在商业应用中使用的高电流的系统需要一个独立的预驱动器如DRV8301DCAR并在一个三相逆变器配置个别的FET。一个例子是TI的CSD18533Q5A NexFET功率MOSFET。

发展软件与FOC型电机控制应用成功的关键。 TI开发了一套包括在BoosterPack BOOSTXL-DRV8301电机驱动开发软件。它通常是在6至24个V和多达10个的连续的最佳选择。这需要一个控制板等C2000短笛TMS320F28027F的LaunchPad与InstaSPIN-FOC - 如LAUNCHXL-F28027F。对于小于3.5的连续电机，DRV8312-69M-KIT通常是更好的选择。

TI的产品系列显得更加符合低电压，比其他厂商的低扭矩应用程序，但一些提供电机控制开发套件为好。恩智浦半导体提供电机控制开发套件BLDCs。该OM13068 LPC1549 LPCXpresso电机控制套件用于与该公司的LPC1549JBD48QL MCU。这个平台可以用来控制BLDC，BLAC，踏步机，及双刷直流电机。

使用这些组件的设计可以在性能方面市售马达控制器，用于小BLDC电机进行比较。定制的FOC控制器和商业控制器之间的最显著差异如毛绒40是其整流在非常低的速度的能力。在FOC控制器可以在约100转的速度控制所有四台电机。此外，利用InstaSPIN的速度环电机开发这些低转速扭矩显著。

自定义FOC板还可以实现最高电机速度比商业控制器更快。平均来说，自定义的FOC控制器是在转换从零的马达，以全速快35%。此外，根据FOC控制各电动机的空载速度比任何商业控制器tested.1更快

结论

一类新的电机控制应用正在兴起，需要小的BLDC电机优异的动态响应。应用领域包括医疗机器人，万向系统，自主车和小型无人驾驶飞机。虽然FOC电机控制技术已经使用了几十年的交流工业和白色家电马达，他们没有被应用到小型电机搭载的电池组，因为该技术是先进的，并需要高性能的MCU。在过去的几年中，然而，新产品已经出现，使这种可能性成为现实。