Position Control and Locking of Permanent Magnet Synchronous Motor for Propeller Drives in Drones

Abstract

De siste årene har etterspørselen etter posisjoneringsløsninger for propelldrift i droner økt i industrien, med to velkjente motorapplikasjoner, fremdriftsmotorer og vertikal take-off og landings motorer. Hensikten med posisjoneringen i fremdriftsmotorer for fastvingede ubemannede luftfartøyer er å sikre en trygg motorposisjon ved landingsøyeblikket. Siden luftfartøyene er designet med et lavt landingsutstyr for å redusere luftmotstanden og øke varigheten, krever det at propellen plasseres i en horisontal posisjon for å unngå mekanisk skade på propellbladene hvis den treffer bakken. For vertikale take-off og landingsmotorer er posisjonering nødvendig for å redusere luftmotstanden produsert av propellene når de ikke er parallell med kursvinkelen. Hvis mer av overflatearealet til propellbladene er eksponert i lengderetningen av luftfartøyet, bidrar det til mer luftmotstand som igjen bidrar til redusert varighet for dronen under flygningen.

Denne oppgaven presenterer fire tilstandsmaskiner for posisjonskontroll og posisjonslåsing av en overflatemontert permanentmagnet synkron motor for propelldrift. Hvor posisjoneringsmetodene er enten med en proporsjonal-integral-derivert kontroller og en enkoder som tilbakekobling for posisjonskontroll, eller med en hall-effekt sensor som tilbakekobling og med en konstant strøm i motorfasene for posisjonslåsing. I tillegg anvender en av posisjonslåsemetodene et posisjonsestimat som tilbakekobling med en implementert hall-effekt sensorassistert ulineær observatør for å muliggjøre posisjonslåsing i mer enn én fast mekanisk posisjon.

De eksperimentelle resultatene viser hvordan de foreslåtte løsningene kan gi tilstrekkelig ytelse både med og uten enkoder, og er utført med en vindforstyrrelse for å kunne vurdere ytelsen nært et reelt scenario, og sammenlignet opp mot de to nevnte motorapplikasjonene.

In the recent years the demand for positioning solutions for propeller drives in drones has been increasing in the industry, with two prominent motor applications, propulsion motors and vertical take-off and landing motors. The purpose of the positioning in propulsion motor applications for fixed-wing unmanned aerial vehicles is to ensure a fixed motor position at the landing instant. As the aircraft is designed with low landing gear to reduce the drag and increase endurance, requires the propeller to be positioned in a horizontal position to avoid mechanical damage when hitting the ground. For the vertical take-off and landing motor applications, positioning is needed to reduce the additional drag from the propellers when not aligned with the heading angle. As more of the surface area of the propeller blades are exposed in the longitudinal direction the more drag is contributed, which reduces the endurance of the drone during cruise.

This paper presents four state machines for position control and position locking of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor propeller drive. Where the positioning methods are either with a proportional-integral-derivative controller and an encoder as feedback for position control, or with a hall-effect sensor as feedback and with a constant current to the motor phases for position locking. In addition, one of the position locking methods utilizes a position estimation as feedback with an implemented hall-effect sensor-assisted nonlinear observer solution to allow for position locking in more than one fixed mechanical position.

The experimental results show how the proposed solutions can provide sufficient performance both with and without an encoder, and are conducted with wind disturbance to determine the performance close to a real scenario, and compared in relation to the two motor applications.