mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2024-12-1-80-91mireabulletin-827Research ArticleАНАЛИТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИANALYTICAL INSTRUMENT ENGINEERING AND TECHNOLOGYСистема управления помехоустойчивым электронным регулятором оборотов бесщеточного электродвигателя беспилотного воздушного суднаControl system for noise-resistant electronic speed controller of a brushless electric motor for an unmanned aerial vehiclehttps://orcid.org/0000-0002-7427-5475ПариновМ. В.ParinovM. V.

Паринов Максим Викторович - к.т.н., доцент, кафедра компьютерных интеллектуальных технологий проектирования.

34006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84

Maksim V. Parinov - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Computer-assisted Intelligent Design Technologies.

84, 20-letiya Oktyabrya ul., Voronezh, 394006

parmax@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0007-9320-7519ЮровА. Н.YurovA. N.

Юров Алексей Николаевич - к.т.н., доцент, кафедра компьютерных интеллектуальных технологий проектирования.

34006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84

Aleksey N. Yurov - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Computer-assisted Intelligent Design Technologies.

84, 20-letiya Oktyabrya ul., Voronezh, 394006

yurovalex@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5547-1940СкитскийЯ. В.SkitskiyYa. V.

Скитский Ярослав Витальевич - аспирант, кафедра конструирования и проектирования радиоаппаратуры.

34006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84

Yaroslav V. Skitskiy - Postgraduate Student, Department of Radio Apparatus Design and Engineering.

84, 20-letiya Oktyabrya ul., Voronezh, 394006

nauchrab@mail.ruВоронежский государственный технический университетРоссияVoronezh State Technical UniversityRussian Federation2024020220241218091Copyright © Паринов М.В., Юров А.Н., Скитский Я.В., 20242024Паринов М.В., Юров А.Н., Скитский Я.В.Parinov M.V., Yurov A.N., Skitskiy Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/827Цели

Цели. Высокая востребованность и эффективность беспилотных воздушных судов делают актуальным производство их компонентов, одним из которых является регулятор скорости вращения бесщеточного электродвигателя винтомоторной группы. Однако российская промышленность в настоящее время не производит их серийно. Для запуска производства необходимо разработать методики и алгоритмы управления для аппаратной и программной частей устройств данного типа, а также формализовать критерии выбора основных компонентов. Целью работы является создание методики программного управления электродвигателем, включающее структурные схемы, инвариантные алгоритмы и методики расчетного выбора параметров основного микроконтроллера регулятора оборотов.

Методы

Методы. Использованы методы алгоритмизации, экспертных оценок, линейных вычислительных процессов и экспериментальных исследований.

Результаты

Результаты. Представлены теоретические основы управления электродвигателями винтомоторной группы. Предложены структурная схема реализации регулятора, методики коммутации обмоток при управлении с трапецеидальным сигналом, представлены осциллограммы сигналов. На базе теоретических изысканий разработан инвариантный алгоритмический аппарат построения программного обеспечения для различных типов микроконтроллеров. Представлены блок-схемы основных модулей программного средства: алгоритмов событийной коммутации и основного бесконечного цикла микроконтроллера. Формализованы требования к микроконтроллерам для создания различных типов регуляторов оборотов, представленные в виде набора математических выражений. Они позволяют выполнить расчет количества необходимых периферийных устройств и портов микроконтроллера согласно требованиям к регулятору, а также вычислительной мощности используемого ядра.

Выводы

Выводы. Экспериментальные исследования показали достоверность представленных теоретических изысканий. Полученные результаты могут быть использованы для подбора оптимальной элементной базы и разработки программного обеспечения для регуляторов скорости вращения электродвигателей винтомоторной группы беспилотных воздушных судов.

Objectives

Objectives. The high demand for unmanned aircraft and their efficiency makes the production of their components a matter of relevance. One of these components is the speed controller of the brushless electric motor of the propeller motor group. At the current time, Russian industry, however, does not mass-produce them. In order to start production, control methods and algorithms for the hardware and software parts of devices of this type are needed. Criteria for selecting the main components also need to be formalized. The aim of this work is to develop a method for the software control of electric motors. This includes block diagrams and invariant algorithms and methods for the calculated selection of parameters of the main microcontroller of the electronic speed controller.

Methods

Methods. Methods of algorithmization, expert assessments, linear computational processes and experimental studies were used.

Results

Results. The paper presents the theoretical basis for controlling the required motors. It proposes a block diagram of the implementation of the controller, and a technique for switching windings when controlling with a trapezoidal signal is proposed. Examples are given in the form of an oscillogram. Based on theoretical research, an invariant algorithmic apparatus was developed for building software for various types of microcontrollers. Block diagrams of all the main modules of the software are also presented. The main ones include: the event switching algorithm; and the main endless loop of the microcontroller. The requirements for microcontrollers to create the various types of speed controllers are formalized herein and presented in the form of a set of mathematical expressions. They enable the number of required peripheral devices and microcontroller ports to be calculated according to the requirements for the microcontroller, as well as the computing power of the core used.

Conclusions

Conclusions. Experimental studies show the reliability of the theoretical research presented herein. The results obtained can be used to select the optimal element base and develop software for speed controllers of electric motors of the propellers of unmanned aircraft.

регулятор скорости вращения электродвигателяалгоритмыбесщеточный электродвигательбеспилотное воздушное суднопомехоустойчивые решенияпрограммное управлениемикроконтроллерelectric speed controlleralgorithmsbrushless direct current motorunmanned aerial vehiclenoise-resistant solutionssoftware controlmicrocontrollerРабота выполнена при финансовой поддерж ке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (проект № FZGM-2023-0011)This work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under the state assignment (project No. FZGM-2023-0011)ReferencesУразбахтин Р.Р. Двигатели для беспилотных летательных аппаратов. Международный научно-исследовательский журнал. 2017;2(56):142–144. https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.56.100Urazbakhtin R.R. Engines for unmanned aerial vehicles. Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel’skii zhurnal = Int. Res. J.;2(56):142–144 (in Russ.). https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.56.100Янтураев М.Ю., Меднов А.А. Электродвигатели летательных аппаратов. В сб.: Актуальные вопросы энергетики в АПК: материалы всероссийской (национальной) научно-практической конференции. Благовещенск: Дальневосточный государственный аграрный университет; 2021. C. 106–113.Yanturaev M.Yu., Mednov A.A. Electric motors of aircraft. In: Elektrodvigateli letatel’nykh apparatov. Aktual’nye voprosy energetiki v APK: materialy vserossiiskoi (natsional’noi) nauchno-prakticheskoi konferentsii (Current Issues of Energy in the Agro-Industrial Complex: Materials of the All-Russian (National) Scientific and Practical Conference). Blagoveshchensk: Dalʼnevostochnyi gosudarstvennyi agrarnyi universitet; 2021. P. 106–113 (in Russ.).Yuzawa N., Sakai K. A Permanent Magnet Motor Capable of Pole Changing for Variable Speed Drive. In: International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2013. P. 1127–1132. https://doi.org/10.1109/ICEMS.2013.6754392Yuzawa N., Sakai K. A Permanent Magnet Motor Capable of Pole Changing for Variable Speed Drive. In: International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). 2013. P. 1127–1132. https://doi.org/10.1109/ICEMS.2013.6754392Никитин А.О., Петрова А.Р., Петров Р.В. Магнитоэлектрическая система управления оборотами бесколлекторного электродвигателя для беспилотных летательных аппаратов. Вестник Новгородского государственного университета. 2017;7(105):26–31.Nikitin A.O., Petrova A.R., Petrov R.V. Magnetoelectric control system of the brushless motor revs for drones. Vestnik Novgorodskogo gosudarstvennogo universiteta = Vestnik of Yaroslav the Wise Novgorod State University. 2017;7(105):26–31 (in Russ.).Пенкин В.Т., Сухов Д.В., Шевцов Д.А., Шишов Д.М. Бездатчиковый регулятор бесколлекторного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами на роторе. Практическая силовая электроника. 2014;3(55):46–51.Penkin V.T., Sukhov D.V., Shevtsov D.A., Shishov D.M. Sensorless controller of BLDC motors with permanent magnets. Prakticheskaya Silovaya Elektronika. 2014;3(55):46–51 (in Russ.).Wen J.-S., Wang C.-H., Chang Y.-D., Teng C.-C. Intelligent Control of High-Speed Sensorless Brushless DC Motor for Intelligent Automobiles. In: 2008 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics (IEEE/SMC). 2008. P. 3394–3398. https://doi.org/10.1109/ICSMC.2008.4811822Wen J.-S., Wang C.-H., Chang Y.-D., Teng C.-C. Intelligent Control of High-Speed Sensorless Brushless DC Motor for Intelligent Automobiles. In: 2008 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics (IEEE/SMC). 2008. P. 3394–3398. https://doi.org/10.1109/ICSMC.2008.4811822Штаев Д.В. Анализ технологии управления беспилотными летательными аппаратами. Территория новых возможностей. Вестник Владивостокского государственного университета экономики и сервиса. 2019;11(2):113–119. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-tehnologii-upravleniya-bespilotnymi-letatelnymi-apparatamiShtaev D.V. Analysis of control technology of unmanned aerial vehicles. Territoriya novykh vozmozhnostei. Vestnik Vladivostokskogo gosudarstvennogo universiteta ekonomiki i servisa = The Territory of New Opportunities. The Herald of Vladivostok State University of Economics and Service. 2019;2(11):113–119 (in Russ.). Available from URL: https:// cyberleninka.ru/article/n/analiz-tehnologii-upravleniya-bespilotnymi-letatelnymi-apparatamiБашкиров А.В., Остроумов И.В., Свиридова И.В. Основы помехоустойчивого кодирования, основные преимущества и недостатки алгоритмов декодирования. Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012;8(2):20–22.Bashkirov A.V., Ostroumov I.V., Sviridova I.V. Fundamentals of Error-Correcting Coding, Key Advantages, and Disadvantages of Decoding Algorithms. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of Voronezh State Technical University. 2012;8(2):20–22 (in Russ.).Ильюшин С.А., Шаронов А.А., Киселев В.В. Разработка блока управления электродвигателем типа BLDC на базе ПЛИС. Информационно-измерительные и управляющие системы. 2015;13(9):51–55.Il’ushin S.A., Sharonov A.A., Kiselev V.V. Development of the control unit of the BLDC motor on the base of the programmable logic device. Informacionno-izmeritel’nye i upravlyayushchie sistemy = J. Information-Measuring and Control Systems. 2015;12(9):51–55 (in Russ.).Слепцов В.В., Афонин В.Л., Аблаева А.Е., Динь Б.Ф. Разработка информационно-измерительной и управля ющей системы квадрокоптера. Russian Technological Journal. 2021;9(6):26–36. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2021-9-6-26-36Sleptsov V.V., Afonin V.L., Ablaeva A.E., Dinh B. Development of an information measuring and control system for a quadrocopter. Russ. Technol. J. 2021;9(6):26–36 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2021-9-6-26-36Калачёв Ю.Н. SimlnTech: моделирование в электроприводе. М.: ДМК Пресс; 2019. 98 с. ISBN 978-5-97060-766-4Kalachev Yu.N. SimlnTech: modelirovanie v elektroprivode (SimInTech: Modeling in Electric Drives). Moscow: DMK Press; 2019. 98 p. (in Russ.). ISBN 978-5-97060-766-4Janpan I., Chaisricharoen R., Boonyanant P. Control of the Brushless DC Motor in Combine Mode. Procedia Engineering. 2012;32:279–285. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.01.1268Janpan I., Chaisricharoen R., Boonyanant P. Control of the Brushless DC Motor in Combine Mode. Procedia Engineering. 2012;32:279–285. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.01.1268Yiu J. The Definitive Guide to ARM® Cortex®-M3 and Cortex®-M4 Processors. London: Newnes; 2013. 864 p.Yiu J. The Definitive Guide to ARM® Cortex®-M3 and Cortex®-M4 Processors. London: Newnes; 2013. 864 p.Pakdel M. Advanced Programming with STM32 Microcontrollers. Limbricht: Elektor; 2020. 216 p.Pakdel M. Advanced Programming with STM32 Microcontrollers. Limbricht: Elektor; 2020. 216 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.