就無人機而言，其完整飛行系統一般由飛行控制器（Flight Controller）、電子速度控制器（ESC）、傳感器系統，以及載荷（Payload）、電池組等子系統和模塊組成。其中，電子速度控制器（ESC）
定義了無人機的動態運動性能和飛行時間，是非軍用無人機中非常重要的子系統。

1、ESC及電機性能要求

無人機必須能夠完成的一些運動模式包括：
? 精確運動模式：航行、懸停。
? 快速運動模式：沿x/y/z方向360°旋轉、水平最高速度飛行、垂直最高速度飛行。

圖1、無人機飛行系統的模塊

為了提供這些功能，需要使用優秀的ESC來控制所用電機在所有速度下產生的升力。這樣一來，基于位置傳感器模塊的穩定算法可以補償影響無人機的振動和外力。能夠改變的電機速度越快，穩定算法需要執行的速度變化就越少；因此，使用的能量少于無人機以高度變化的速度運行的情況下（使用動態性較差的ESC時便屬于這種情況）所需的能量。

（1）無人機電機

無人機的發動機運行速度必須按照無人機的重量和螺旋槳的尺寸確定，以便產生無人機飛行所需的升力。為無人機設計的典型三相無刷電機具有以下常見特性：
? 低電感
? 低電阻
? 兩到八個極對
? 1000Hz或更高的電氣頻率

該電機采用優化設計，可由包含兩節至六節電池（即7.4V至22.2V直流電壓）的鋰聚合物電池供電。這些電壓用于設計所選電機的最大速度。此處的一個常見問題是以最大速度運行接近VBUS的電機，因為此處的FOC算法和無傳感器算法都必須足夠出色才能支持此運行方式。如果用戶需要更高效的機型來實現更長的飛行時間、更好的動態行為和更加平順、穩定的性能，就需要使用ESC模塊。

（2）ESC電機控制

根據所要設計的無人機類型，可以對ESC的性能做出某些妥協。在設計低端無人機時，通常使用刷式直流電機或三相梯形反電動勢控制型電機，因為此類電機價格便宜并且性能在可接受范圍。這些電機通常采用開環控制方式運行。角度和電流控制都是如此。

中端無人機通常使用三相梯形反電動勢電機。與前者的不同之處在于，這種電機在運行時將采用閉環角度估算技術，也可能是采用一種簡單的電流控制算法，但通常屬于開環電流控制方式。為了節省成本，這種電機使用低性能控制器。

高端無人機通常使用三相正弦反電動勢電機。在某些情況下，還使用梯形反電動勢電機，但會導致動態性能比正弦繞組電機的動態性能更差。

目前有一種從梯形控制技術向正弦控制技術過渡的趨勢，而這種發展趨勢使無傳感器的控制技術變得更加重要，因為使用角度傳感器會導致解決方案缺乏成本競爭力。除了成本之外，此處的第二個問題在于傳感器所需的高速度。

如果想要構建ESC以便開發無傳感器算法，從而提供足夠出色的角度精度來控制電機，這當然需要付出一些努力。本設計采用正弦控制方式，以1到5度的最小精度測量轉子的磁場角度，從而使用FOC算法確保最大扭矩，或根據電機的相電壓和相電流估算轉子磁角（無傳感器算法）。

2、ESC系統特點

本系統的ESC適用于使用無傳感器算法的三相無刷電機，設計需要一個具有上述傳感能力的三相半橋功率級，以便生成無傳感器算法所需的反饋信號。此功率級必須由包含兩節至六節電池（即VBUS為7.4V至22.2V）的鋰聚合物電池供電。

圖2、ESC模塊的組件

由于電機和依賴于頻率的傳感器具有較低的時間常數，因此PWM頻率較高；典型的電流設計使用大約45kHz至60kHz的PWM頻率，并有進一步增加的趨勢。其次需要一種與飛行控制器通信的方式，可使用占空比或串行通信方式完成。

LaunchPad和BoosterPack采用單個電源供電。該電源的電壓范圍為4.4V至45V。功率級包含用于無刷直流驅動器的三個半橋。這三個半橋必須以最大速度為電機提供功率，使電機功率可高達500W。

BoosterPack還支持無傳感器算法所需的電壓和電流檢測。本示例中需要測量的是VBUS、三個相電壓和三個相電流。電流測量通過低側分流器完成，所使用的三個電流檢測放大器集成在DRV8305 IC中。

對于ESC控制器，需要使用TMS320F28069F來提供電機控制平臺。使用此器件可以啟用無傳感器反電動勢觀測器算法InstaSPIN-FAST。該算法為客戶提供基于反電動勢的角度估算器，而目前在電機控制的設計階段只需要考慮FOC算法。InstaSPIN-FOC算法是作為BSD授權的開源軟件包（稱為MotorWare）提供的；通過該軟件包，客戶可以開始使用FOC電機控制，并且可以使用客戶特有的算法更新和改進該算法，從而重點關注電機的實際運動而不是角度估算，這種方式正在取代角度傳感器。

圖3、InstaSPIN-FOC算法的ESC控制器電路圖

3、芯齊齊BOM分析

本參考設計出自TI，BOM元件總數67個，三個核心器件DRV8305柵極驅動器、LMR16006穩壓器、CSD18540Q5B功率MOSFET也來自TI。

圖4、ESC控制器BOM表

其中，DRV8305是一款適用于三相電機驅動應用的柵極驅動器IC的需求。該器件提供三個高精度修整和溫度補償的半橋驅動器，每個驅動器能夠驅動一個高側和低側增強模式N溝道MOSFET。DRV8305工作電壓4.4V至45V，具有三個基于電流器的電流檢測放大器，可實現對電流的精確測量，支持100%占空比，并且具有多級保護。

LMR16006是PWM降壓穩壓器，具有4V至60V的寬輸入電壓范圍，關斷電流1μA，在ECO模式下的待機電流為28μA，適用于從工業到汽車的廣泛應用中非穩壓電源的電源調節。

CSD18540Q5B是60V 1.8mΩ的NexFET功率MOSFET，具有超低Qg和Qgd、低熱阻等特點，可用于最大限度地降低電源轉換應用中的損耗。該器件封裝尺寸為5mm×6mm，無鉛端子鍍層，無鹵素，符合RoHS。

圖5、ESC控制器系統電路板

被動元件中，C18、C19濾波電容器選擇330μF、50V、+/-20%、0.3歐姆內阻的鋁電解電容器，其余均采用X7R介質的MLCC陶瓷電容器。

R4、R5、R6電阻器選擇0.007歐姆1%精度的3W功率元件，R8、R9、R10、R14用以調整電壓標度，需采用1%精度0.1W規格。系統電機的電氣速度還取決于由串聯電阻器R14和R16與電容器C22組成的濾波器，R14和R16應選擇62.0kΩ和4.99kΩ，且選擇的C22為0.033μF。

審核編輯 黃昊宇