小型傾轉旋翼機的無刷直流電機驅動器設計

　　微控制器的選擇

　　本設計中微控制器采用的是ADI公司生產的ADuC7060單片機。ADuC7060采用ARM7TDMI內核，其內部集成了一個三相PWM接口，16個通用I/O端口，兩個獨立的多通道24位Σ-ΔADC，以及通用定時器和I2C串行接口等資源，性能十分優(yōu)越。當工作在10.24 MHz時，其功耗一般僅為25 mW，滿足模型機系統(tǒng)對低功耗的要求。

　　三相橋式驅動電路

　　在本系統(tǒng)中，逆變電路為三相橋式結構，采用上橋臂單邊PWM控制。如圖4所示，圖中V1~V6為功率MOSFET，上橋臂選用型號為IRFR5305的P溝道功率MOSFET，當PWM輸出高電平時導通;下橋臂選用型號為IRFR1205的N溝道功率MOSFET，當I/O端口輸出低電平時導通。在每個功率MOSFET的前端都放置了一個三極管，目的是提高微控制器端口的驅動能力，保證MOSFET的可靠開關。在一個電周期內，控制導通相序為AB→AC→BC→BA→CA→CB，即可使電機連續(xù)旋轉。　　

 

　　反電勢過零檢測電路

　　反電勢檢測電路如圖5所示，UA、 UB和 UC與電機繞組引出端連接，經過分壓網絡后得到分壓點CMPA、CMPB和 CMPC，圖中電容起濾波作用。同時圖中電阻構成了一個星型網絡，電路中NULL點可以用來虛擬中性點。這樣只要利用比較器成對比較分壓點與虛擬中性點電壓，即可檢測反電勢信號的過零點。

　　無刷直流電機驅動系統(tǒng)軟件設計

　　無刷直流電機驅動系統(tǒng)軟件流程如圖6所示，主要分為起動和調速兩部分。由于電機轉速與螺旋槳升力之間難以建立精確關系^[5]，所以設計中不對電機本身單獨進行閉環(huán)控制，而是根據(jù)陀螺儀提供的反饋信號，對旋翼機整體進行閉環(huán)控制。當旋翼機控制器發(fā)出速度信號后，由ADuC7060微控制器I2C總線接收。如果速度信號從零開始增大，則需要進行起動，否則跳過起動程序，直接根據(jù)速度信號改變PWM的占空比，調節(jié)螺旋槳的轉速。　　

 

　　無刷直流電機的起動

　　反電勢信號在電機靜止或低速時難以檢測，因而電機起動時無法利用反電勢信號自主換相。本文采用“三段式起動”法進行起動設計，它分為預定位、外同步加速、運行狀態(tài)切換三個階段^[6]。首先給任意兩相繞組通電一段時間，使轉子定位到已知的位置，然后利用微控制器產生頻率逐漸提高的驅動信號，使電機以類似步進電機的方式加速，待轉速達到可以產生清晰的反電勢信號后再切換到自同步運行狀態(tài)。

　　“三段式起動”法的關鍵是保證外同步加速和切換時不產生失步。針對外同步加速過程，通常采用升壓升頻加速或恒壓升頻加速方式。升壓升頻方式需兼顧PWM占空比及換相時間間隔與換相次數(shù)的關系，對于螺旋槳這類變轉矩負載較難進行優(yōu)化設計。本文采用恒壓升頻方式設計了一種針對螺旋槳負載的加速曲線。考慮到對于電機系統(tǒng)有：
          

　　式中J是系統(tǒng)的轉動慣量;θ為轉子轉過的電角度;T_em為電磁轉矩(與電樞電流成正比);T₀為空載阻轉矩;T_L為負載轉矩。在加速階段，一方面由于螺旋槳負載轉矩T_L隨轉速升高而增加;另一方面隨著轉速增加反電勢也增加，導致電樞電流降低引起T_em減小，所以加速過程中應保證角加速度減小，才能使式(1)平衡。本設計中，結合實驗調試，利用MATLAB擬合了一條冪函數(shù)加速曲線，如圖7所示，其中橫軸代表換相次數(shù)N(由于每次換相轉過60°電角度，故N正比于θ)，縱軸為換相時間間隔。