带磁编码器的无人机FOC云台控制器

PI调节算法实现： PID调节算法是指比例-积分-微分算法，而在电机控制中，通常指需要PI调节即可。PID 调节算法对
闭环控制中的误差信号进行响应并作出尝试，对控制量进行微调节，以获得期望的系统响应。被控参数可 以是任何可以测到的系统量，例如转速、转矩或磁通灯。PI调节可以通过对系数的调整，建立一个稳定的 模型，对数据结构进行有效的静态处理，起到稳定滤波及合理响应的作用。 PI系数调节要多做的测试， PI调节将决定系统的响应能力，过响应及满响应都无法适应系统需求;再 做速度给定及速度估算过程中，需要建立一个表格来做数据分析，获得一个比较合理的位置与反电动势关 系图标，配合软件修改。 在该无人机云台系统中，P比例是由误差信号乘以一个P因子得到，通过对误差信号大小的判断，调整 P因子的系数，从而将误差信号提供最大的修正量，有利于减少系统总误差，通过逐步的调整，系统误差将 逐步接近于零，但是时钟会存在静态误差，这个是就需要应道I因子来抵消静态误差。I调节通过对误差信 号进行连续积分处理，得到的误差信号在一定周期内与I因子相乘，就得到I输出项，通过调节I因子来逐步 减少静态误差。 在初次对控制器进行参数整定时，将I 和D因子设置为0。 随后可逐步增大P因子，使P因子的改变造成 最小的误差信号变化，直到系统能够很好地响应设定点的变化。固定好P因子之后，再可缓慢地增加I 增益 以消除系统静态的误差。如果发生误差振荡，通过减小I因子并增大P因子来解决问题。 在本系统中，PI调节器的软件实现已经封装成子程序，我们可以通过直接调整PI参数来直接进行误差 补偿，方便完成整个FOC及PI调节设计。
4，位置传感器设计
系统中 AS5600 磁编码器位置检测主要作用有两点，一是获得电机启动时间的
绝对位置，以方便快速启动并切入 FOC 算法，否则在无绝对位置情况下很难快速切入闭环启动；二是实时 快速检测出摄像设备的当前位置，及时调整云台来调整到制定位置，同时与飞控通讯，使飞控选择合适的 飞行姿态。位置传感器的设计不同于传统的电位器设计，它属于非接触式应用，一个 NS 极对、1.2T 磁通 量(推荐)的磁铁安装在电机转租主轴中心点，而磁铁是固定在定子上的，模具设计中药保证磁铁的中心与 AS5600 芯片的中心在一个轴上，即同心度要求比较高，误差+/- 0.2mm, 磁铁与芯片距离为 0.5-2.5mm 之 间，根据磁铁磁通量大小及位置需要来调整。磁编码器的的硬件设计将直接影响磁传感器检测精度。
在FOC算法处理中，需要处理反电动势信号的检测，在这部分我们做了信号放大及滤波处理；由于系 统电池存在随着使用时间而降低的问题，做系统电压误差补偿也是很有必要的，通过对系统电压的检测， 将电压的变化与FOC算法的Vd 和Vq做比例处理，已取得更为精确的Vd 和Vq。 在调试中如果借助数据监视和控制界面（Data Monitor and ControlInterface，DMCI，可以实时观 测各种中间变化量，准确判断处理效果，做出算法调整，将大大提高软件开发效率。
带磁编码器的无人机 FOC 云台控制器云台是立足于无人机高空操控优势，通过无线遥控来进行航空摄影、系统立体测绘地面图 像或者准确操控附带设备的驱动装置，主要功能是利用高精度电机控制，实现摄像设备对 X,Y,Z 三维空间 的精准角度控制，以达到精确控制设备操作角度的效果。云台系统的控制精度对这个无人机的摄像性能及 操控效果有着至关重要的作用。目前在云台控制算法上比较先进的控制算法都本掌握在国内领先的几家厂 家手上，大部分云台设计都沿用了传统的直流有刷电机的控制或者 120°BLDC 控制，在防抖效果及控制精 度上都有需要改进的地方，通过对产品的分析将 FOC 算法融入云台控制，将有助于达到提升防抖效果及控 制精度的效果，尤其是将磁编码器替换传统的电位器设计，可以在控制精度,提高使用寿命,降低噪声，减 少生产难度等方便带来极大优势。 关键字：无人机云台 PMSM FOC 控制算法 磁编码器
3， 采样电路 采样电路的设计涉及到 PMSM 电机的转子位置及速度估算， 是 FOC 电路的核心所在。 FOC 的初始位置可以通过磁编码器的绝对位置获得，而启动后的转子位置及速度估算，需要通过双相电阻采样 的反电动势获得，而电流信号是通过 5-20 毫欧姆的小电阻采样小信号电流获得，极易受到干扰，需要加滤 波放大处理电路，同时也为了获得稳定的便于检测的反电动势过零点，在电路设计的时候我们增加了一个 1.65V 基准电压电路，这样将反电动势信号在滤波的同时又抬高电压，通过软件采样处理，准确获得过零 点做速度、位置估算。
摄像云台系统主要是控制 X,Y,Z 三轴方向上的电机来实现对摄像头的转动控制，通过与飞行控制器配 合，来快速调整摄像头的方向，达到稳定摄像头角度的效果，所以在运行速度、采样速度、外设集成度、 传感器精度上都有较高要求，传统的有刷电机或者 120°方波电机设计在电机响应速度和精度上无法使系 统达到很好的效果，所以我在该项目中采用了 PMSM(永磁同步) 电机，并且改进了原来的电位器设计，将 磁编码器引入项目，克服了电位器精度不高，不易安装，转动角度有限，易磨损等不足，可以大大提高云 台的性能。 鉴于电机及编码器的性能特点，在 MCU 的选择上，本设计选择采用美国 Microchip 公司高集成度高性 能 dsPIC33EPXXMC 系列 16bit 单片机， dsPIC33EP128MC504,内部集成电机驱动模块, CAN 通讯模块,运放， 比较器等硬件外设，70MIPS 的运算速率可以轻松实现 FOC 电机驱动算法。 磁编码器采用的是 AMS 公司的 AS5600 编码器，它可以通过在电机转子中心轴上安装磁铁，检测芯片安 装在定子上来隔离检测电机运行的绝对位置及转速，12bit 的检测精度，360 度全方位角度检测，很方便实 现电机的高精度位置检测，并在安装上为布线带来便利，降低安装误差，从而更好地实现对摄像设备的高 精度传感检测。
本设计采用 PMSM 电机替换 BDC 及 BLDC 电机，是基于 PMSM 电机在体积、噪声、效率、脉动等各方面都 有着更大优势基础上选择的，未来在更多的场合都将使用到 PMSM 电机控制。 硬件设计：
如上面所示框图中，硬件设计的关键点包括 1.电源的的稳定性 系统电池需要提供能足够的电流驱动能力，大小根据所挂摄像头设备重量而定， 设备越重，所需电流越大。同时要尽量做到电源的纹波小及稳定性。电池通常都有 BMS 系统，经过分析对 比，好的 BMS 系统会对 PMSM 带来更好的控制效果，在此不做详细论述。 2.电机驱动电路 电机驱动电路包括 Mosfet 驱动和全桥 Mosfet 电路， 在这部分设计的关键是器件的 选取及电路的保护工作。器件的电压及电流参数冗余量要合适，通常选取电压 2 倍以上及电流 3 倍以上的 冗余量，比如正常工作 12V/3A 的运行系统，可选择 40V/10A 就足够，参数冗余量太大会造成浪费，提高了
与传统方案的串口通讯设计相比，该项目 X,Y,Z 三轴电机之间通过 CAN_BUS 与飞控的 CAN_BUS 实行通 讯，CAN_BUS 通讯最高可以实现 1Mbps 速率，并且广泛用于汽车电子系统上，具有高可靠稳定性、长距离 传输的特点，应在在该系统中可以大大提高系统的性能，使飞行主控制器与三轴之间实现高速高效通讯。
正文：
引言： 云台控制的核心主要分为两大部分:电机控制和角度控制， 电机控制的关键包括 MCU 编程及功率器件的 控制，角度控制则包括编码器的结构安装设计及控制等。将 FOC 控制及磁编应用稳定运用到无人机云台控 制系统中，有助于提高电机控制精度，减低系统噪声，降低功耗，减少飞行控制主系统的运算开销，提高 产品工作寿命等作用，从而提升无人机整体性能。 系统介绍： 摄像无人机实物图如下：
功率设计部分主要是采用了 Microchip 公司的低压三相全桥驱动芯片 MCP8026 及 Infineon 公司的 6 颗 Mosfet IRFHM8363，构成了三相全桥 PMSM 电机驱动电路。全桥驱动芯片 MCP8026 为 40V/0.5A，可以驱动 三路互补 Mosfet，并且内置运放及比较器，简化电路硬件设计，并自带保护功能，很适合 12V 系统的无人 机云台控制。 IRFHM8363 为 30V/10A mosfet,性价比高，体积小，满足无人机的控制系统的小体积需求， 合适的 Rds(on)使其具有高的性价比优势。
5，CAN 通讯电路设计 CAN 通讯电路硬件设计需要保证在告诉通讯下较好的抗干扰性。可选择增加磁 珠增加抗干扰性，增加 TVS 管以提高 ESD 防护能力。同使 60 欧姆的电阻匹配必不可少。在 PCB Layout 要 主要差分信号的完整性，保证 CAN 链路的阻抗一致性。通讯可选择 1Mbps 的高速率保证通讯及时性。
系统成本。当然，如果 PMSM 电机设计部合理，比如电感量过大，可能也会出现极高的峰值电流从而烧坏 Mosfet 或者电机，这就需要选择更大余量的功率器件。同时为了控制发热量，最好选取开关频率较高，驱 动能力较强的驱动芯片及 Rds(on)比较小的 Mosfet，不过参数越好价格越高，需要通过测试找一个性能与 价格之间的合适平衡点。电路保护主要包括自举升压电路，过流、过压、过温保护电路，ESD 保护等，自 举升压电路的设计需要结合实际使用的频率来决定，不能一概而论，它对电机的 PWM 频率控制至关重要。 过流、过压、过温保护电路，通常除了驱动芯片自带的硬件保护，可以通过外加电流比较器，电压采用电 路，温度传感器等方式增加保护，尤其是电流保护，处理不好将造成系统无法工作。ESD 保护可以通过加 TVS 管保护的方式实现。
计算出的ic值变换而来。以定子角度为中心来看，i和i是相互正交的时随时变化的电流值。 3). Park变换.按照控制环上一次迭代计算出的变换角，来旋转2轴系统使其与转子的磁通轴对齐。i和i 变量经过Park变换可得到Id、Iq。 Id 、Iq 为变换到旋转坐标系下的正交电流。在稳态条件下，Id和Iq 是常量。 4). 误差信号由Id、Iq的实际值和各自的参考值进行比较而获得。 • Id 的参考值控制转子磁通 • Iq 的参考值控制电机的转矩输出 • 误差信号是到PI 控制器的输入 • 控制器的输出为Vd 和Vq，即要施加到电机上的电压矢量 5).估算出新的变换角， 其中V和V、 i和i是输入参数,新的角度可告知FOC 算法下一个电压矢量在何处。 6). 通过使用新的角度，可将PI 控制器的Vd 和Vq输出值逆变到静止参考坐标系。该计算将产生下一个正 交电压值V和V,这里P,I系数调节很关键，过大，则响应过快，过小则无法获得正常的V和V，使FOC的 坐标偏离正常轨道，无法转动电机或者效率得不到提高； 7). V和V 值经过Park和Clarke逆变换得到3相值Va、Vb 和Vc。该3相电压值可用来计算新的PWM 占空 比值，以生成所期望的电压矢量。 8).强PWM占空比输出到内置电机驱动模块，自动产生中心对齐的PWM互补波形，经过FIR电容生成类似正弦 波的三相模拟波形，启动PMSM电机平滑运行。 下图为变换、PI迭代、逆变换以及产生PWM 的整个过程。