基于FOC的多旋翼无人机动力系统的研究与设计

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多旋翼无人机经过多年发展,其相关技术已经非常成熟。但是其动力系统却有着一些缺陷一直未能很好的解决。本文针对现有无人机动力系统转矩脉动大,振动明显,噪音大,响应速度慢的缺点,设计了一种基于FOC(Field-oriented control,磁场定向控制)驱动技术的多旋翼无人机动力系统。无传感器FOC技术有着转矩脉动小、振动小、动态性能好且静音的特点。近几年开始在家电领域得到应用,如空调的室外机、高端吸尘器、高端落地扇等领域。将无传感器FOC技术应用于无人机动力系统可以显著改善目前动力系统的缺陷。本文介绍了FOC驱动技术的基本原理,结合无人机动力系统的特点与要求,分析了目前无传感器FOC技术应用于无人机动力系统所面临的高转速下的工程实现问题,并提出了相应工程实现与改进方法。通过使用带有常规FOC计算硬件加速的MCU,以及相应的适用于高转速的硬件设计配合,达到高转速下的无感FOC工程实现。并提出了在电流环的基础上,增加一个Q轴电压闭环环路,D轴电流环保持不变的调速控制策略,使文章提出的动力系统的速度响应更快,且调速方式与现有动力系统调速方式类似,以方便取代现有的动力系统。文章还详细介绍了系统软硬件设计。硬件设计包括功率输出电路,电流采样电路,电压采样电路,反电势采集电路,以及其他必要的硬件保护电路。在软件设计中,驱动软件的程序结构,以及重点部分的处理。并增加了更多的保护功能,提高了系统的安全性。通过与现有的动力系统对比分析,本文提出的无人机动力系统,拥有更小的转矩脉动,运行更加平稳,响应速度也更加快速,各项指标均优于传统方波动力系统。
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