無人機永磁同步電機之無感測器磁場導向控制高速改善及測試

摘要：本文目標為使用無感測器之磁場導向控制(Field-oriented Control, FOC)演算法驅動無人機用之3 kw表面貼磁式永磁同步馬達，並應用磁場導向控制取代目前較普遍應用於無人機馬達之六步方波驅動演算法，以提升能源效率、降低噪音及提升動態響應。然而，無人機馬達的高極對數特性使得馬達會在高電器轉速下運轉，而在高電器轉速的狀況下，電壓耦合現象及運算延遲的問題會較顯著的對馬達運轉造成負面影響。因此，本文將針對此問題進行改善，並進行實驗測試，比較其改善效果。本文將分為以下四個部分介紹：(1)磁場導向控制原理與方波驅動比較。(2)無感測器位置估測原理介紹。(3)高速問題及其改善方法。(4)實驗及結果分析。最後，將針對整體提升效果進行評估及總結。
Abstract：The purpose of this article is to apply the sensorless Field-Oriented Control (FOC) algorithm to drive a 3 kw surface-mounted permanent magnet synchronous motor for a drone, in order to replace the six-step square-wave drive algorithm, which is widely used in drone motors drive. In comparison to square-wave drive, the FOC is able to improve energy efficiency, reduce noise, and improve dynamic response. However, the high pole-pair characteristics of drone motors cause it to operate at high electrical speeds, and the voltage coupling and computational delay issues will significantly affect the operation of the motors at high electrical speeds. Therefore, this article will focus on the improvement of this problem and conduct experimental tests to verify the effect of the improvement. This article will be divided into the following four parts: (1) Comparison between FOC principle and square-wave drive. (2) Introduction of sensorless position estimation principle. (3) High speed issue and its improvement method. (4) Experiment and result analysis. Finally, the overall improvement effect will be evaluated and summarized.
關鍵詞：永磁同步馬達、無位置感測器控制、電壓解偶、計算延遲補償
Keywords：PMSM, Sensorless control, Voltage decoupling, Computation-time delay compensation

前言
近年來，隨著晶片運算性能的提升，由馬達作為動力來源的多旋翼無人機(Multi-copter)逐漸普及，被廣泛的運用在各類型的應用中，各種級距的無人機應運而生，例如小型的商業娛樂用空拍機(<100 W)，中型的植保機(~10 kW)，乃至於大型乘用的eVTOL(電驅垂直起降飛行器) (>1000 kW)等皆蓬勃發展。而在2022年初爆發俄烏戰爭中，無人機在情資偵蒐及不對稱作戰得到全面的應用，也讓各國開始重視並大力發展無人機技術。
而目前無人機之航時受限於有限的電池電量，雖然可以透過增加攜帶電池數量提升航時，但電池本身之重量會造成槳葉負載增加，占用無人機可載重空間，並使得成本提高。而根據 Chemodanov等人 [1]研究指出，多旋翼無人機之航時隨著電池電量增加而提升至一極限值後，便會逐漸下降。
綜上所述，透過電池電量提升航時有其極限存在，因此本文並非以「開源」而是以「節流」的角度著手，將針對馬達驅動效率進行改善及測試，在相同動力輸出下降低能量消耗，以驅動效率的角度提升無人機整體系統之航時及動態性能。
磁場導向控制原理與方波驅動比較
1.磁場導向控制原理
磁場導向控制是一種應用於永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的驅動方式，其原理為透過座標轉換，將馬達三相電流(正弦波)轉換至定子座標，透過編碼器(Encoder)或是無感測器估測方式取得轉子角度後，再將定子座標電流映射至轉子座標。在轉子座標中，定義轉子磁通方向為直軸(D軸, Direct Axis)，垂直磁通方向稱為正交軸(Q軸, Quadrant Axis)。已知電流在正交於磁通方向時有最大之電磁力矩，因此只要透過一PI控制器將轉子座標系下的電流向量都控制在Q軸方向上，並將D軸電流控制為0，此時理論上便可得到最佳的機械效率。其控制迴路架構如圖1所示。

圖1磁場導向(FOC)控制架構

2.六步方波驅動原理
六步方波驅動是一種常見於無刷直流電機（BLDC）的驅動方式。這種驅動方法通過對馬達的三相繞組依序進行開關，以產生旋轉磁場，從而驅動馬達轉子旋轉。在六步方波驅動中，每次只有兩相繞組是導通的，第三相則懸空。這三相繞組的導通順序會根據霍爾感測器的訊號或馬達轉子位置感測器的回授來決定，以確保電流的正確換相。每個換相階段，電機的兩相繞組中一相作為電流輸入，另一相作為電流輸出，從而在電機內部產生旋轉磁場。這種驅動方式的優點是結構簡單，控制容易，且成本低廉。然而，由於其驅動波形為方波，會導致電機運行時的振動和噪音較大。此外，六步方波驅動相較於弦波驅動，在力矩輸出上不夠平滑，這在要求高精度控制的應用中是一個缺點。
3.磁場導向與六步方波控制比較
在無人機馬達的應用中，由於過去多為小型消費級無人機的產品，成本考量之優先順序先於性能表現，因此多為採用控制簡單、硬體成本低且適配性高的六步方波驅動。然而，近年來無人機隨著其功能的拓展逐漸升級，許多軍用商規機種應運而生，此時性能考量將先於成本，因此高性能磁場導向控制驅動也逐漸被導入此應用當中。