原标题：适用于无人机ESC的无传感器高速FOC的方案

方案介绍

ESC 模块是非军用无人机中非常重要的子系统，用户需要更高效的机型，以实现更长的飞行时间、更好的动态行为和更加平顺、稳定的性能。这一设计采用了普遍用于无人飞行器 (UAV) 或无人机的电子调速器 (ESC)。

速度控制通过无传感器的方式完成，使用 FOC 速度控制对电机进行了测试，高达 1.2kHz 电气频率(12kRPM，6 极对电机)。我们的无人机 ESC 高速无传感器 FOC 参考设计拥有一流的 FOC 算法实施，可实现更长的飞行时间、更佳的动态性能，且具有更高的集成度，因此电路板尺寸更小，BOM 组件更少。无传感器高速 FOC 控制使用 TI 的 FAST™ 软件观测器，利用了 InstaSPIN-Motion™ C2000™ LaunchPad 和 DRV8305 BoosterPack。

应用范围

无人机和 UAV

高速电机

电池供电的电动工具

特色

InstaSPIN-FOC™ 无传感器 FOC 可实现最高的动态性能;

使用三节锂聚合物电池在高达 12,000 RPM 转速下进行了测试;

高动态性能：在不到 0.2s 的时间内将转速从 1kRPM 提高到 10kRPM(电气频率 100Hz 至 1kHz)，从而实现高性能偏转和俯仰动作;

适于完成翻转动作的快速翻转能力;

通过阻塞换向提高 FOC 效率，因此可实现更长的飞行时间 ;

更高的 PWM 开关频率(经测试高达 60kHz)，可 针对低电感高速电机降低电流/扭矩纹波，并且可以 避免干扰超声波传感器;

灵活的功率级支持两节到六节锂聚合物电池;

由于 InstaSPIN-FOC 的自动电机参数识别：自动调 优无传感器 FOC 解决方案，因此可缩短产品上市时间;

根据绕组电阻变化进行电机温度估算，从而保护电机在临时过载情况下免受损坏。

系统方块图

ESC模块方块图

无人机系统方块图

核心器件

相关文档

应用手册：TI Designs适用于无人机 ESC 的高速无传感器 FOC 参考设计.pdf

符号和封装：封装.pdf

BOM List：bom.pdf

电路图：无人机.pdf

成功案例

PCB

下图分别显示了LaunchPad和BoosterPack PCB的顶部和底部图片。

完整系统电路板图片(顶视图)

LaunchPad电路板图片(顶视图)

【CSD18540Q5B】

60V、N 通道 NexFET™ 功率 MOSFET

描述

此 1.8mΩ、60V NexFET™功率 MOSFET 被设计成在功率转换应用中大大降低 损耗 并且采用了 5mm × 6mm SON 封装。

性

超低 Qg 和 Qgd

低热阻

雪崩额定值

无铅引脚镀层

符合 RoHS 环保标准

无卤素

小外形尺寸无引线 (SON) 5mm x 6mm 塑料封装

【TMS320F28069MPNT】

具有 InstaSPIN-MOTION 的 Piccolo 微控制器

描述

F2806x Piccolo系列微控制器 (MCU) 为 C28x 内核以及与引脚较少的器件中的高度集成控制外设耦合的 CLA 供电。该系列器件的代码与基于 C28x 的旧版代码兼容，同时具有较高的模拟集成度。

一个内部稳压器实现了单电源轨运行。高分辨率脉宽调制器 (HRPWM) 模块已得到增强，现已实现双边沿控制(频率调制)。器件内还新增了采用 10 位内部基准的模拟比较器，可通过与其直接相连来控制 ePWM 输出。ADC 可在 0V 至 3.3V 的固定满量程范围内实施转换，支持 VREFHI/VREFLO 基准的比例运算。ADC 接口已针对低开销和延迟进行了优化。

特性

高效 32 位 CPU (TMS320C28x)

90Mhz(周期时间为 11.11ns)

16 × 16 和 32 × 32 乘法和累加 (MAC) 运算

16 × 16 双 MAC

哈佛 (Harvard) 总线架构

连动运算

快速中断响应和处理

统一存储器编程模型

高效代码(使用 C/C++ 和汇编语言)

浮点单元 (FPU)

本地单精度浮点运算

可编程平行加速器 (CLA)

32 位浮点算术加速器

独立于主 CPU 之外的代码执行

Viterbi、复杂算术、循环冗余校验 (CRC) 单元 (VCU)

扩展了 C28x 指令集以支持复杂的乘法、Viterbi 运算和循环冗余校验 (CRC)

嵌入式存储器

高达 256KB 的闪存

高达 100KB 的随机存取存储器 (RAM)

2KB 一次性可编程 (OTP) ROM

6 通道直接存储器访问(DMA)

低器件和系统成本

3.3 V 单电源

无需电源排序

集成型加电复位和欠压复位

低功耗操作模式

无模拟支持引脚

尾数法：小尾数法

支持 JTAG 边界扫描

IEEE 标准 1149.1-1990 标准测试访问端口和边界扫面架构

计时

两个内部零引脚振荡器

片载晶体振荡器/外部时钟输入

看门狗装置定时器模块

丢失时钟检测电路

可支持所有外设中断的外设中断扩展 (PIE) 模块

三个 32 位 CPU 定时器

高级控制外设

多达 8 个增强型脉宽调制器 (ePWM) 模块

总共 16 个 PWM 通道(可支持 8 个 HRPWM)

每个 模块中的独立 16 位定时器

3 个输入增强型捕捉 (eCAP) 模块

多达 4 个高分辨率捕捉 (HRCAP) 模块

多达 2 个增强型正交编码器脉冲 (eQEP) 模块

12 位模数转换器 (ADC)，具有双路采样与保持 (S/H) 功能

高达 3.46每秒一百万次采样

高达 16 通道

片上温度传感器

128 位安全密钥和锁

保护安全内存块

防止固件逆向工程

串行端口外设

两个串行通信接口 (SCI) [UART] 模块

两个串行外设接口 (SPI) 模块

一条内部集成电路 (I2C) 总线

一个多通道缓冲串行端口 (McBSP) 总线

一个增强型控制器局域网络 (eCAN)

通用串行总线 (USB) 2.0

(关于可用性，请参见“器件比较表”)

全速器件模式

全速或低速主机模式

多达 54 个支持输入滤波的独立可编程、复用通用输入/输出 (GPIO) 引脚

高级仿真 特性

分析和断点功能

通过硬件进行实时调试

2806x 封装

80 引脚 PFP 和 100 引脚 PZP PowerPAD 散热增强薄型四方扁平封装 (HTQFP)

80 引脚 PN 和 100 引脚 PZ 薄型四方扁平封装 (LQFP)

应用

开关模式电源 (SMPS)

太阳能微型逆变器和转换器

功率因数校正 (PFC)

智能电网和电力线通信

AC/DC 逆变器