Una guia completa per a solucions de control del motor drone

 

En el sistema de control del nucli del drone, l'algoritme de la unitat de motor no té un rol crucial, no només en l'estabilitat i la resposta de vol, sinó també en la resistència, els nivells de soroll i l'estructura general de costos. Els dos mètodes de control principal actuals: FOC (control orientat al camp) i control d’ones quadrades tradicionals (commutació de sis passos) - tenen diferents focus en diferents nivells de plataformes de drone. Aquest article analitzarà les diferències i la lògica d’adaptació d’aquestes dues solucions de quatre dimensions: principi, rendiment, aplicació i tendència de desenvolupament.

 

Control FOC: persecució de precisió i eficiència definitiva

FOC (control orientat al camp) aconsegueix un control precís del parell electromagnètic convertint el corrent trifàsic en components de camp magnètic (i _ d i i _ q) en un sistema de coordenades rectangulars. Els seus avantatges bàsics són:

· Unitat d’ona sinusoïdal: la forma d’ona actual és més suau i la distorsió harmònica és inferior al 5%;

· Ràtio de velocitat àmplia: suporta la regulació de la velocitat 1: 1000, que cobreix des del vol de baixa velocitat fins al vol sobtat d'alta velocitat;

· Fluctuació de parell extremadament baix: la sortida del parell és més lineal i el vol és més estable;

· Resposta ràpida: un bucle de control de fins a 50 μs permet ajustaments de parell ràpids.

 

Control d’ones quadrades: senzill, ràpid, rendible

El control de les ones quadrades utilitza una estratègia de commutació de 120 graus fix i es basa principalment en sensors de la sala per determinar la posició del rotor. El mètode de control és més directe, però té una precisió limitada:

· Excitació d’ona trapezoïdal: la taxa de distorsió harmònica actual és tan alta com 20-30%;

· Range de velocitat limitada: la proporció comuna és de 1:50;

· Ripple de torsió: vibració notable o canvis sobtats durant els canvis de remolc o direccional.

· Simplicitat de maquinari: no es necessita cap codificador, donant lloc a una càrrega computacional baixa i un cost reduït.

 

Prenent un determinat model de drone de grau de consum (utilitzant FOC) i la plataforma de nivell d'entrada (mitjançant Wave Square Wave) com a exemples, els indicadors clau són els següents:

Mètrica	Solució FOC (de gamma alta)	Solució d’ona quadrada (bàsica)
Estabilitat del passeig	±0.1 m	±0.5 m
Durada de la bateria	46 minuts	22 minuts
Nivell de soroll	55db	68db
Temps de resposta de la pertorbació del vent	8 ms	35 ms
Augment de la temperatura del motor	+18grau	+32grau
Cost per motor	$25	$8

 

 

Diferents tipus de UAV tenen requisits diferents per als sistemes de potència, de manera que també hi ha diferències evidents en l’elecció de les estratègies de control.

 

Drones de consum: persecució d’estabilitat i silenci

Marques com DJI i Autel generalment adopten solucions FOC:

· HOVERING ALTA PRECESSIÓ: FOC pot reduir la dificultat de l’ajust dels paràmetres PID i millorar l’estabilitat de posicionament;

· Millor durada de la bateria: la unitat d’alta eficiència pot millorar la taxa d’utilització d’energia de tota la màquina per 8-12%;

· Flight silenciós: la unitat d'ona sinusoïdal redueix el soroll d'alta freqüència per 6-10 db.

 

FPV Racing Drones: Priorització de la potència de ràfegues

En productes que persegueixen la velocitat i la controlabilitat, com ara els drons voladors, el control de les ones quadrades és més rendible:

· Resposta ràpida: el retard de resposta a la sortida de potència completa només és 0. 2ms;

· Lleuger: eliminació de components com els codificadors redueix significativament el pes del sistema.

· Avantatge de costos: el pressupost general del sistema de conducció es pot comprimir fins a un terç del FOC.

 

Drones industrials: estabilitat i precisió primer

En tasques com ara ruixat agrícola, inspecció i mapeig, es requereix una precisió de control extremadament elevada i FOC és gairebé estàndard:

· Forta anti-pertorbació: la sortida del motor és més estable i pot suprimir significativament la vibració conductora;

· Vida més llarga: reduir el xoc mecànic i augmentar la vida de 3 a 5 vegades;

· Control de variables precisos: la precisió de la regulació de velocitat es pot controlar dins de ± 5rpm.

 

El control híbrid està sorgint com una nova tendència

Alguns fabricants han introduït mecanismes de reconeixement d’estat del vol per aconseguir la commutació en temps real de diferents mètodes de control:

· Habiliteu FOC durant el creuer per millorar l'eficiència energètica;

· Canvieu al control d’ona quadrada per alliberar el parell instantani durant l’acceleració ràpida\/canvi de direcció;

· Les proves completes mostren millores de resistència al voltant del 9%, mantenint més del 85% de la maniobrabilitat.

 

Sensorless Foc penetra ràpidament al mercat de gamma mitjana

Amb l’ajuda d’algoritmes d’observadors nous (com ara l’observador del mode lliscant, l’estimació de flux), s’ha millorat significativament la precisió de control del foc sensorless:

· L'error d'estimació de velocitat es redueix a menys de 0. 5%;

· El parell inicial a velocitat zero pot arribar fins al 30% del parell nominal.

· El cost per eix ha baixat a 12 dòlars, adequat per a la majoria de projectes UAV de gamma mitjana.

 

La innovació de maquinari continua impulsant les actualitzacions

· Dispositius de potència de GaN: augmenten la freqüència de PWM a 200KHz i redueixen les ondulacions actuals un 60%;

· Controlador integrat IC: com la sèrie TI DRV, que integra el controlador i la MCU per simplificar el disseny i reduir els costos un 40%.

 

Tant si prioritzeu la precisió i l’eficiència de FOC com la simplicitat i la rendibilitat del control d’ones quadrades, tots estan trobant el seu lloc en diferents dimensions del mercat. Mostra les tendències actuals:

· El mercat UAV de gamma alta ha aconseguit bàsicament una cobertura completa de FOC;

· El mercat de gamma mitjana migrant ràpidament cap a Sensorless Foc;

· El control de les ones quadrades es concentra gradualment en aplicacions específiques com ara joguines i curses.

 

La selecció final encara hauria de tornar al producte en si: quin tipus de precisió necessiteu? Quin cost podeu acceptar? Teniu requisits clars per a la vida de la bateria i la vida del motor?

 

A mesura que evolucionen les estratègies de control del motor i les capacitats de maquinari avancen, les solucions híbrides que combinen el control de les ones FOC i quadrades estan disposades a convertir -se en el nivell de la indústria.