小型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　微控制器的選擇

　　本設(shè)計(jì)中微控制器采用的是ADI公司生產(chǎn)的ADuC7060單片機(jī)。ADuC7060采用ARM7TDMI內(nèi)核，其內(nèi)部集成了一個(gè)三相PWM接口，16個(gè)通用I/O端口，兩個(gè)獨(dú)立的多通道24位Σ-ΔADC，以及通用定時(shí)器和I2C串行接口等資源，性能十分優(yōu)越。當(dāng)工作在10.24 MHz時(shí)，其功耗一般僅為25 mW，滿足模型機(jī)系統(tǒng)對(duì)低功耗的要求。

　　三相橋式驅(qū)動(dòng)電路

　　在本系統(tǒng)中，逆變電路為三相橋式結(jié)構(gòu)，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(hào)為IRFR5305的P溝道功率MOSFET，當(dāng)PWM輸出高電平時(shí)導(dǎo)通;下橋臂選用型號(hào)為IRFR1205的N溝道功率MOSFET，當(dāng)I/O端口輸出低電平時(shí)導(dǎo)通。在每個(gè)功率MOSFET的前端都放置了一個(gè)三極管，目的是提高微控制器端口的驅(qū)動(dòng)能力，保證MOSFET的可靠開(kāi)關(guān)。在一個(gè)電周期內(nèi)，控制導(dǎo)通相序?yàn)锳B→AC→BC→BA→CA→CB，即可使電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)?！　?/p>

 

　　反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路

　　反電勢(shì)檢測(cè)電路如圖5所示，UA、 UB和 UC與電機(jī)繞組引出端連接，經(jīng)過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)后得到分壓點(diǎn)CMPA、CMPB和 CMPC，圖中電容起濾波作用。同時(shí)圖中電阻構(gòu)成了一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)，電路中NULL點(diǎn)可以用來(lái)虛擬中性點(diǎn)。這樣只要利用比較器成對(duì)比較分壓點(diǎn)與虛擬中性點(diǎn)電壓，即可檢測(cè)反電勢(shì)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)。

　　無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件流程如圖6所示，主要分為起動(dòng)和調(diào)速兩部分。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速與螺旋槳升力之間難以建立精確關(guān)系^[5]，所以設(shè)計(jì)中不對(duì)電機(jī)本身單獨(dú)進(jìn)行閉環(huán)控制，而是根據(jù)陀螺儀提供的反饋信號(hào)，對(duì)旋翼機(jī)整體進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng)旋翼機(jī)控制器發(fā)出速度信號(hào)后，由ADuC7060微控制器I2C總線接收。如果速度信號(hào)從零開(kāi)始增大，則需要進(jìn)行起動(dòng)，否則跳過(guò)起動(dòng)程序，直接根據(jù)速度信號(hào)改變PWM的占空比，調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速。　　

 

　　無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)

　　反電勢(shì)信號(hào)在電機(jī)靜止或低速時(shí)難以檢測(cè)，因而電機(jī)起動(dòng)時(shí)無(wú)法利用反電勢(shì)信號(hào)自主換相。本文采用“三段式起動(dòng)”法進(jìn)行起動(dòng)設(shè)計(jì)，它分為預(yù)定位、外同步加速、運(yùn)行狀態(tài)切換三個(gè)階段^[6]。首先給任意兩相繞組通電一段時(shí)間，使轉(zhuǎn)子定位到已知的位置，然后利用微控制器產(chǎn)生頻率逐漸提高的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電機(jī)以類(lèi)似步進(jìn)電機(jī)的方式加速，待轉(zhuǎn)速達(dá)到可以產(chǎn)生清晰的反電勢(shì)信號(hào)后再切換到自同步運(yùn)行狀態(tài)。

　　“三段式起動(dòng)”法的關(guān)鍵是保證外同步加速和切換時(shí)不產(chǎn)生失步。針對(duì)外同步加速過(guò)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(shí)間間隔與換相次數(shù)的關(guān)系，對(duì)于螺旋槳這類(lèi)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載較難進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用恒壓升頻方式設(shè)計(jì)了一種針對(duì)螺旋槳負(fù)載的加速曲線。考慮到對(duì)于電機(jī)系統(tǒng)有：
          

　　式中J是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;θ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的電角度;T_em為電磁轉(zhuǎn)矩(與電樞電流成正比);T₀為空載阻轉(zhuǎn)矩;T_L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。在加速階段，一方面由于螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩T_L隨轉(zhuǎn)速升高而增加;另一方面隨著轉(zhuǎn)速增加反電勢(shì)也增加，導(dǎo)致電樞電流降低引起T_em減小，所以加速過(guò)程中應(yīng)保證角加速度減小，才能使式(1)平衡。本設(shè)計(jì)中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)調(diào)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?yè)Q相次數(shù)N(由于每次換相轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，故N正比于θ)，縱軸為換相時(shí)間間隔。