利用電調參考設計簡化無人機電機控制

無人機正變得越來越普及，它不僅為各行各業的諸多需求提供了經濟高效的解決方案，也催生了蓬勃發展的消費級市場。無人機的應用范圍十分廣泛，而技術的進步正不斷開拓新的使用場景。

“多旋翼飛行器”、“無人駕駛飛行器”(UAV)和“無人機”這些術語經常被混用——本文將統一使用“無人機”一詞。目前的無人機在尺寸、速度和航程上差異巨大，既有重量不足1kg的微型消費級機型，也有速度可達350km/h、航程長達300km的強大傾轉翼機型。

無人機市場正處于高速增長期。圖1展示了2025年至2031年全球出貨量的預測增長趨勢。

圖1：全球消費級和商用無人機市場出貨量預測(單位：百萬臺)。(來源：ABI Research)

本文將探討當今無人機的電子技術，并聚焦于電子調速器(ESC，簡稱電調)的解決方案，分析其如何在簡化電機控制方面發揮關鍵作用。

無人機技術概覽

如今的無人機高度精密，將最先進的電子技術與航空航天工程融為一體，封裝在緊湊輕量的機身之中。

圖2展示了現代無人機電子系統的關鍵功能模塊。其中，飛行控制器是無人機的“大腦”，它接收來自多個傳感器的數據和飛行員的指令，并計算出需要發送給每個電調的控制信號。傳統的驅動架構通常為每個電機配備獨立的電調。

圖2：無人機功能模塊圖，包括電池與BMS、電調、云臺和飛行控制器。(來源：英飛凌)

每個電調接收這些指令后，將其轉換為驅動相應電機的信號。所有電子元器件均由電池供電，電池管理系統(BMS)負責確保電量充足，并讓飛行員實時掌握剩余續航里程。

最后，云臺是一種用于穩定相機或其他有效載荷的系統，它利用電機驅動載荷在多個軸向上運動，確保載荷在無人機移動或產生振動時依然保持穩定。

無人機電調詳解

讓我們更詳細地了解電調的工作原理及其對電機的控制機制。

一個電調包含以下幾個關鍵元器件：

• 微控制器(MCU)：解讀飛行控制器發出的信號以及電機位置數據，并據此向柵極驅動器發送脈沖信號。
• 柵極驅動器：接收MCU發出的低電壓信號，將其放大后傳遞給MOSFET。
• MOSFET(功率開關)：作為電子開關，為電機供電，從而控制其轉速和方向。
• 電流檢測：提供反饋信號，以實現對電機的精確控制。

無人機通常采用無刷直流(BLDC)電機。MOSFET發出的信號在高低電平之間快速切換，從而改變電機線圈的相位，驅動轉子旋轉。

確定MOSFET向電機發送脈沖信號的格式有多種協議。其中最簡單的是脈沖寬度調制(PWM)：高電平的“導通”脈沖為電機供電，而低電平的“關斷”脈沖則停止供電。因此，脈沖的寬度(時間)直接決定了電機的轉速。此外，無人機常用的協議還包括Dshot和CAN，它們能提供穩健的數字通信，從而提升無人機性能并解鎖新功能。

英飛凌電調如何簡化無人機設計

圖3展示了電調關鍵模塊的連接方式：MCU向柵極驅動器發送信號，后者再驅動MOSFET(圖中配置為三相逆變器)。MOSFET的輸出端最終連接電機。

圖3：電機控制關鍵元器件示意圖，包括MCU、柵極驅動器、MOSFET和傳感器。(來源：英飛凌)

圖中還展示了傳感器如何向MCU提供電機位置反饋，以最大化BLDC電機的控制精度。在某些無傳感器設計中，電調會根據電機定子繞組中感應的“反電動勢”電壓來判斷電機位置。當然，也可以使用霍爾效應傳感器直接檢測電機位置。

在實際應用案例中，印度科技初創公司Reflex Drive在其無人機電調中選用了英飛凌的OptiMOS 80V和100V功率MOSFET(圖4)。這使得Reflex Drive的電調實現了優異的熱管理和高效率，從而達到了高功率密度。

圖4：Reflex Drive無人機電調采用英飛凌OptiMOS 80V和100V功率MOSFET。(來源：Reflex Drive)

這些電調還可集成英飛凌的MOTIX IMD701控制器解決方案，該方案將MCU和柵極驅動IC合二為一，提供精準可靠的電機控制。這不僅提升了無人機的性能和可靠性，還延長了飛行時間。

Reflex Drive的電調采用無傳感器磁場定向控制(FOC)技術，以提高電機效率和控制精度。這些電調重量僅為180g，卻能提供3.8kW的持續功率輸出。因此，它們適用于推力在15至20kg范圍內的電機，可廣泛應用于農業噴灑、種子播撒和小規模物流等無人機作業。

表1：英飛凌電機控制關鍵元器件選型。(來源：英飛凌)

首款面向大眾市場的即用電調解決方案

為了簡化開發流程并縮短產品上市時間，英飛凌開發了一款適用于無人機電機驅動的即用電調參考設計，并提供完整的開源軟件支持。該系統名為REF_ESC_48V_80A_FOC，是英飛凌首款基于硅芯片的無人機電機驅動參考設計。

該參考設計由兩塊電路板組成：邏輯(或控制)板和電源板，采用堆疊式結構，如圖5所示。它基于高性能的PSOC Control C3 MCU，該芯片采用Arm Cortex-M33內核，集成了數字信號處理器(DSP)、浮點運算單元(FPU)以及豐富的片上外設和存儲器，使其成為電機驅動的理想選擇。

圖5：無人機電機驅動參考設計，展示了電源板(左)和組裝完成的電路板(右)。(來源：英飛凌)

電源板包含三個并聯的SSO8 N溝道功率MOSFET(4mΩ)，采用英飛凌OptiMOS 8技術。設計提供了兩種選項：一種是采用4mΩ MOSFET的成本優化方案，另一種是采用1.8mΩ MOSFET的頂級性能方案。電源板還配備了大容量電容和三個基于隧道磁阻(TMR)技術的電流傳感器，用于測量相電流并反饋給電流控制器，從而實現FOC。

邏輯板則集成了MCU、輔助電源單元和柵極驅動電路。其控制算法支持無傳感器FOC，速度控制基于英飛凌電機控制庫V3.0。

圖6展示了該參考設計的框圖。降壓轉換器將輸入直流電壓轉換為15V，供柵極驅動IC使用。15V電源軌再通過線性穩壓器轉換為3.3V，為MCU、電流傳感器和溫度傳感器供電。

圖6：無人機電機驅動參考設計框圖。(來源：英飛凌)

系統采用簡單的電阻分壓網絡來檢測電機控制器的總線電壓。電源板上的柵極電阻用于控制功率MOSFET的dv/dt(電壓變化率)。電流傳感器采用非侵入式設計，無需與開關節點進行直接的電氣連接。

該設計的輸入電壓范圍為24V至60V，可提供高達60A的連續輸出電流和80A的峰值電流，輸出功率最高可達2kW。

借助PSOC Edge E84套件輕松實現飛行控制

PSOC Edge E84 AI套件旨在為下一代智能邊緣設備提供動力，將高性能、安全性和能效集成于單一平臺。其先進的多核架構使得復雜的飛行控制算法可在400-MHz的Arm Cortex-M55內核上運行，同時輔助的Arm Cortex-M33內核負責管理傳感器采集、外設和I/O，確保零干擾和最高系統效率。

內置的Arm Ethos-U55神經處理單元(NPU)加速器將邊緣AI能力直接帶到設備端，無需依賴云端即可實現實時傳感器融合、狀態估計和視覺自主導航。

該平臺具備PSA Level 4安全等級，支持安全啟動、加密固件更新和受保護的密鑰存儲，以防范對飛行控制系統的篡改。MCU采用22nm超低功耗工藝制造，最大限度地提高了電池效率，有助于延長續航時間并優化單次充電的性能表現。

該套件配備了英飛凌的雷達、數字和模擬麥克風、氣壓傳感器以及AIROC Wi-Fi和藍牙組合芯片。

圖7：PSOC Edge E84 AI套件。(來源：英飛凌)

英飛凌無人機全方位解決方案

英飛凌為無人機提供“一站式”解決方案，憑借廣泛的產品組合和全球支持團隊，為多旋翼飛行器、無人機以及未來的載人飛行器提供完整且即用的方案。

英飛凌的無人機產品組合涵蓋了所有關鍵半導體器件，包括功率電子、控制器、安全認證芯片、無線連接模塊和傳感器。這意味著它可以滿足每一個功能模塊的需求，涵蓋飛行控制器、電調、遙控器、云臺、BMS和電池電源管理(如圖8所示)。

圖8：英飛凌全方位覆蓋所有功能模塊。(來源：英飛凌)

通過采用英飛凌穩健且高品質的半導體和傳感器，制造商可以設計出體積更小、功率更高、續航更長的無人機。其元器件能夠實現精準簡便的飛行控制，以及強大的安全認證功能——這一切都具備高品質與可靠性。

無論無人機尺寸大小，該方案都能幫助設計人員快速入門，并以創紀錄的速度將新產品推向市場。例如，即使在電機、飛行或人機界面控制方面經驗不足，設計人員也可以基于PSOC控制器和PSOC MCU快速部署解決方案。此外，利用參考設計和ModusToolbox MCU編程平臺，項目開發周期可縮短30%。

電調參考設計成就高效可靠的解決方案

本文探討了無人機的關鍵電子系統，并重點分析了電調在電機控制中的核心作用。文中討論了電調各元器件的功能，以及參考設計如何幫助構建可靠且高效的系統。

借助英飛凌的優質元器件，設計人員可以打造出更輕便、更易操控、航程更遠且續航更持久的無人機。參考設計將大幅減少開發工作量，加速產品上市進程。

(原文刊登于EE Times姊妹網站Power Electronics News，參考鏈接：Simplifying Motor Control for Drones with ESC Reference Design，由Franklin Zhao編譯。)

本文為《電子工程專輯》2026年6月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。