基于FOC电机控制和DGNSS技术优化无人机的性能设计

根据一些人的说法，无人驾驶飞行器（UAV）或无人驾驶飞机的商业意义可能与互联网一样重要。航空摄影和视频摄影等高调应用已经在很大程度上被无人机民主化，具有巨大的吸引力和相应的高容量。更多深奥的用途包括农业管理，预计它们在医疗应用中的使用将会增加。

由于公司为企业提供交钥匙解决方案，“无人机即服务”的概念已经出现。围绕立法的澄清可以说有助于而不是阻碍新兴产业，虽然限制了整体有效载荷，但它们的优势几乎得到保证。像亚马逊和Facebook这样的大型组织正在积极开发程序，分别使用无人机在偏远地区提供货物和互联网连接。

这些新兴应用程序将越来越依赖于自治，因此，无人机可以这是第一种完全融入社会的真正自动驾驶汽车。这是一个活跃的研究领域，已经出现了商业系统，例如家庭监控无人机，可以在检测到移动时自动导航建筑物的周边，并通过互联网将其看到的内容转发给房主。

以及无人驾驶，无人机也不受限制;紧凑型系统，包括电源，处理和有效负载。为了真正有用，即使在危险和多变的天气条件下，它们也需要稳定和高效。除了在一次充电时尽可能长时间地操作之外，它们将不可避免地需要能够自我停靠以便再充电，使得它们能够几乎无限地自动操作。这种精确的控制和导航水平正在创造对新技术的需求，并突出了无人机开发的两个最关键的功能：电机控制和导航。

电子速度控制

作为一个系统无人机可以用功能元件来描述，包括飞行控制器，电子速度控制器（ESC），电池和有效载荷。 ESC与飞行控制器分开，但仍然由飞行控制器管理是相关的。这主要是因为它是一个复杂的功能，可以从专用的解决方案中受益。

ESC负责控制每个电机的速度，因此，每个电机通常都有一个专用的ESC。为了协调其操作，所有ESC必须能够通过飞行控制器直接或间接地相互通信;在典型的无人机中，可能会有四个ESC和四个电机。 ESC已经成为一个卓越的领域，通常作为一个易于集成的完整子系统提供，现在有少量但不断增加的ESC解决方案。

因为稳定性和效率至关重要在无人机技术中，电机的控制方式是无人机操作的基础。许多ESC提供商采用的方法是磁场定向控制（FOC），这是一种控制电机转矩的技术，通过它控制速度。如果实施得当，FOC可以在不引入不稳定性的情况下实现加速度的快速变化，从而使无人机能够在最大化效率的同时执行复杂的操作。快速计算驱动矢量在FOC中至关重要，这就是为什么它已经成为一般针对电机控制的微控制器供应商，特别是ESC的焦点。

今天无人机最受青睐的电机形式是无刷直流电机，由于其体积小，成本相对较低且经久耐用。为了进一步降低物料清单，无人机制造商通常采用无传感器拓扑结构;也就是说，通过监控电机的状态而不是转子的位置来确定电机的位置。通过FOC算法控制无传感器BLDC电机非常复杂，这也是领先微控制器制造商开始提供交钥匙解决方案的另一个原因。

STMicroelectronics的STEVAL-ESC001V1电子速度控制器（ESC）就是一个例子，它将STMicroelectronics的STM32F303CBT7微控制器和电机控制SDK与其L6398驱动器和STL160NS3LLH7功率MOSFET结合在一起。它们共同构成了使用无传感器FOC算法驱动单个三相无刷电机（BLDC或PMSM（永磁同步电机））的完整解决方案。功率MOSFET为N沟道30 V，160 A STripFET H7器件。该设计可提供20 A的最大RMS电流，足以驱动专业无人机中使用的电机。图1显示了该解决方案的框图。

意法半导体指出，使用FOC而不是某些ESC中使用的梯形控制算法可以提供更好的转矩控制，同时它提供的实现也提供了减速期间的主动制动和能量恢复。

图1：基于磁场定向控制的STMicroelectronics STEVAL-ESC001V1电子速度控制解决方案的框图，这是为无人机开发的。

尺寸略小于30毫米×60毫米的填充板如图2（顶侧）和图3（底侧）所示，突出了关键的功能组件。

图2：STEVAL-ESC001V1（顶部）。

图3：STEVAL-ESC001V1（底部）。

使用ST-Link/V2编程器对评估板进行编程，并使用ST电机控制工作台配置固件（a有关使用MC工作台的简短视频介绍可用）。使用该软件和评估板，工程师可以分析电机并编译驱动该电机所需的固件。虽然用于驱动电机每相的信号由电路板计算和应用，但PWM信号用于设置电机的速度。如图4所示，脉冲介于1060μs和1860μs之间，分别用于设置电机速度在最小值和最大值之间。

图4：用于调节由STEVAL-ESC001V1控制的电机速度的PWM信号。

ESC参考设计

对于许多电机控制来说，电机控制一般来说是一个越来越重要的应用领域半导体制造商，尤其是具有强大微控制器产品组合这包括德州仪器公司，该公司开发并产品化了一种FOC解决方案，该解决方案预先安装在精选Piccolo MCU的ROM中，并通过API访问。

没有传感器提供有关电机位置的反馈，选择是以开环配置运行电机或使用其他形式的反馈。应该注意的是，闭环配置提供了更好的控制并且导致更好的整体性能。提供闭环操作所需的反馈属于称为观察者的专用固件功能，其利用在电动机绕组中产生的反电动势来估计其位置。因此，固件也称为估算器。

在TI的解决方案中，估算器固件称为InstaSPIN-FAST，它代表磁通，角度，速度和扭矩。 FAST被描述为通用三相电机软件编码器，能够与各种电机实现一起使用，包括同步和异步直流和交流电机。它由FOC扭矩控制器软件InstaSPIN-FOC补充，该软件构成了TI MotorWare软件包的一部分;免费使用，免费下载解决方案。但是，该解决方案的FAST部分是专有的，仅在支持的MCU中作为基于ROM的代码提供;虽然InstaSPIN-FOC可以从RAM或Flash执行，但FAST算法必须始终从ROM执行。

德州仪器的无人机ESC的高速无传感器FOC参考设计提供了一种评估InstaSPIN技术的简单方法。它基于C2000 Piccolo LaunchPad LAUNCHXL-F28069M开发板（图5）和DRV8305EVM三相电机驱动BoosterPack评估模块（图6）。

图p：C2000 Piccolo LaunchPad LAUNCHXL-F28069M开发板。

图6：DRV8305EVM三相电机驱动器BoosterPack评估模块。

在这样一个竞争激烈的空间中，性能与易用性相匹配通常是选择特定解决方案的非常有说服力的理由，并且在这方面TI具有尽一切努力从竞争中脱颖而出。例如，控制算法需要了解与被控制的电机有关的某些参数，但TI坚持认为其解决方案需要提供更少的电机参数，以至于不需要数据表。此外，一旦识别出电机，InstaSPIN-FOC和FAST解决方案就不需要调整，这与大多数其他解决方案不同。

估算器运行的准确性是另一个关键参数，在此，TI表示它的解决方案可以在一个电气周期内开始跟踪，并可以保持低于1 Hz的精度;其他解决方案通常仅在5 Hz以上的频率下准确，并且可能在高频率下受损。这些优势还意味着TI的解决方案可在启动时提供100％的扭矩，并在零速时完全稳定。

开发平台和交钥匙解决方案的可用性意味着现在可以更轻松地开始使用无人机设计。 TI表示，其解决方案可在两分钟内启动并运行，突出了FOC解决方案在很短的时间内取得的成就。然而，导航并不一定如此，但它正在迅速发展，并且很快就会有解决方案可以为各种类型的无人驾驶车辆提供完全自主导航。

差分GNSS

导航主要是复杂的一件事：障碍。没有任何障碍可以避免，汽车已经是自动驾驶，但事实是如果它是一条没有任何东西的直线，从A点到B点会变得更加简单。幸运的是，在天空中，情况往往如此。出于这个原因，自主无人机很快就会变得司空见惯。当然，仍然需要考虑碰撞检测和避免技术，但一般来说，飞行的物体比没有飞行的物体具有很大的优势。

全球导航卫星系统（GNSS）的使用现在已成为导航的代名词，当与地图软件一起使用时，它将成为一种强大的组合。然而，众所周知，GNSS仅精确到米内，而不是自身无人机所需的厘米，而自主无人机本身可以测量不到一米。对于某些应用，例如检查大型开放区域或数公里的地下油管，这可能是可以接受的。对于新兴的无人机应用，例如货物交付，将需要更高的准确性。

如果没有支持这种精确度的基础设施，自主设备将依靠机器视觉来帮助他们驾驭现实世界。然而，出现了一些解决方案，它们提供了适合某些应用的精确度。它们采用差分GNSS（DGNSS），它使用由基站提供的校正数据来改进和校正由移动物体（称为流动站）导出的定位数据。

该技术称为实时运动学（RTK）并由海事服务组织（RTCM）无线电技术委员会定义的国际公认标准涵盖。它依赖于基站和流动站之间的实时通信通道，最常用于高端测量设备。然而，该技术开始在作为大众市场解决方案定位的模块中提供。一个例子是来自u-blox的GNSS定位模块，包括NEO-M8P-0和NEO-M8P-2模块，分别用于启用流动站和基站。

该公司表示模块设计用于满足一般无人驾驶车辆的需求，但包括使其特别适用于无人机的功能，例如移动基线模式;使基站能够像流动站一样移动的功能。例如，这可能与从邻近地区发射并返回更大，更传统的运输车辆的交付无人机相关。

这些模块基于u-blox M8 GNSS接收器，这是兼容GPS，GLONASS和北斗卫星导航网络，能够同时使用GPS和GLONASS或北斗，提供更快的首次定位时间。但是，u-blox指出，如果RTK更新率很关键，那么它们应该只在GPS模式下使用。图7说明了模块的运行方式。

图7：使用u-blox NEO-M8P模块创建一个厘米的DGNSS解决方案准确定位。

基站为流动站提供RTCM 3消息流（参考站参数）。然后，流动站必须解决载波相位模糊，此时它可以进入RTK固定模式并开始实现厘米精确的定位数据。根据u-blox，这个过程通常需要不到60秒，并被称为收敛时间。当接收器能够看到至少六颗具有连续锁相的卫星时，流动站才会进入RTK固定模式;如果与GLONASS系统同时工作，则需要至少两个来自第二个系统的卫星可见，而北斗则增加到三个。

在RTK模式下操作时，将报告流动站相对于基站位置的位置。因此，流动站的绝对位置将参考基站的绝对位置和流动站相对于它的位置。这也适用于无人机需要返回其充电站以便为其电池充电的应用。当基站在移动基线模式下操作时，其绝对位置不再固定。然而，流动站仍然可以保持相对于其的厘米精确定位，这例如在无人机以“跟随我”模式操作时是适用的。随着DGNSS定位的引入，全自动无人机的概念确实开始形成。

结论

自主性和稳定性将是未来无人机的关键特征。随着基于FOC的电机控制和DGNSS等技术的整合，无人机的快速和持续发展得到了保证。预集成解决方案的可用性使得开发先进无人机的过程变得更加简单，为渴望利用激动人心的新可能性的OEM提供了机会。