无人机与机器人应用中电机控制设计的考量

大家好 接下来我为大家介绍 电机驱动在机器人及无人机领域的应用 在机器人应用当中 我们可以根据电机的类型 支持的电池串数以及峰值电流等 来对电机驱动进行选择 在机器人当中 对电机要求有较高的 扭矩性能、控制性能的部分 我们通常采用无刷直流电机 而对于其它对电机要求不高的部分 我们则采用有刷直流电机以降低成本 进一步根据对扭距控制以及 PCB 尺寸的要求选择不同的驱动方案 对于无刷直流驱动主要有 DRV8839、8313 以及 832x 加上 MOS 管组合方案 而有刷直流驱动则主要有 DRV8837、8801 8870、8844以及8701 加上 MOS 管的组合方案 我们来看一下具体电机驱动的框图 不同的驱动方案都包括了 Motor Driver、MOS 管、感应放大器 以及检测电阻等部分 配合外部的 MCU 以及传感器等 来对有刷或无刷直流电机进行控制 而不同的驱动方案 除了它们在性能上的差别以外 还在于它们集成度上的不同 DRV8801 是有刷直流驱动 集成了 Motor Driver MOS 管和感应放大器 只需要外接检测电阻 就可以进行工作 而 8837 则只集成了 Motor Driver 和 MOS 管 需要外接放大器和检测电阻来工作 而 8701 则是集成了 Motor Driver 和放大器 需要外接 MOS 管 以及检测电阻来实现它的工作 最后的 8313 是无刷直流驱动 同样是集成了 Motor Driver 和 MOS 管 需要外接放大器及检测电阻 来实现它的工作 无人机的电机驱动主要有 上方的螺旋桨和下方的云台 螺旋桨的电机控制也就是电调 主要通过矢量控制来完成 规定的速度和动作 针对螺旋桨的驱动方案 一种是采用 DRV8301/2/3 以及05等 三相无刷直流驱动配合 MSP430、C2000 等 MCU 以及 TI 的 MOS 管 来完成对无刷直流电机的控制 其中的8301到8303均是支持 6-60V 的宽电压 包含了两个用于精确电流检测的 电流检测运放 而8305是在这个基础上 集成了三个分流放大器 支持4.4- 45伏电压 具有对 MOS 管的可编程 VDS 保护 支持电池反向保护并具有多种 欠压及看门狗等保护功能 并且通过 smart gate 智能控制优化开关来降噪 降 EMC 并提高效率 主要用在高端产品当中 配合 C2000 可以实现 I2C 控制 并可以完成系统端的控制 另一套解决方案则是可采用 DRV9x 的产品 配合 TI 的 MOS 管来实现电机的控制 DRV9x 产品呢是集成了 MSP430 和电机驱动的 SOC 方案 可以对电机进行高效控制同时简化设计 最小化设计电路的尺寸 云台的电机控制则可采用 DRV8313 8313提供了三个可独立控制的半桥驱动 并集成了相应的 MOS 管 支持8-60伏的电压 以及2.5安培的峰值电流 配合霍尔传感器 DRV5013 以及 MSP430 从而完成了云台电机的控制 具体来看相关的参考设计 正如刚才所说 终端的螺旋桨设计方案采用 DRV8303 配合 MSP430 和 TI 的 MOS 管 来实现对电机的控制 该方案支持3-6串的电池输入 最高 23A 的峰值输出 尺寸极小仅为55×25毫米 是无传感方波控制 而如果对设计版尺寸非常敏感 也可以采用我们的集成方案 采用了集成 MCU 的 DRV91670 配合 TI 的 MOS 管 该方案支持2到5串的锂电池输入 最高可达 20kRPM 的转速 具有极小的尺寸 仅为55×20毫米 也是无传感方波控制 它可以极大地简化设计的复杂度 高端的螺旋桨设计方案 则可采用 DRV8305 配合 C2000 及 MOS 管来完成 该方案同样支持3到6串输入 23A 峰值输出 极小的尺寸且为无传感的 FOC 控制 可以精确的控制马达的磁场及转距 配合 C2000 可以完成系统端的控制 云台的电机控制则可采用 DRV8313 配合 MSP430 和 霍尔传感器5013来进行使用 该方案支持3到6串的输入 2.5A 的电流 具有极小的尺寸 是传感型无刷直流驱动 最后我们具体看一下设计方案的框图 以高端螺旋桨驱动方案为例 搭配 Motor Conrtoller 门驱动和 MOS 管 MCU 走 GPIO 和 PWM 到8305 然后通过门驱动控制 MOS 管 而 Gate 和电流的检测 再经 Gate Driver 进行反馈 而电压检测则需要加一颗二极管 进行 ESD 保护再返回到 MCU 系统支持 4.4-30 伏的电源 其中 MCU 路需要加 一颗 3.3 伏的 Buck 进行供电 这样就完成了对 螺旋桨的 BLDC 的控制 最后我们具体看一下设计方案的框图 以高端螺旋桨驱动方案为例 搭配 MCU 门驱动和 MOS 管 MCU 走 GPIO 和 PWM 到8305 然后通过门驱动控制 MOS 管 而 Gate 和电流的检测 再经过 Gate Driver 进行反馈 电压检测则需要加一颗二极管 进行 ESD 保护再反馈到 MCU 系统支持4.4-30伏电源 其中 MCU 路需要加一颗 3.3 伏的 Buck 进行供电 这样就完成了对螺旋桨的 BLDC 的控制 以上是本视频的全部内容 感谢您的观看