四旋翼飛行器無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種適用于飛行器上的無(wú)傳感器型無(wú)刷直流電機(jī)的控制方案。采用ATmega8作為系統(tǒng)控制器，利用片內(nèi)模擬比較器，通過(guò)比較電機(jī)非導(dǎo)通繞組的反電動(dòng)勢(shì)與虛擬中點(diǎn)電壓得到過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，并延遲30°電角度作為電機(jī)換相時(shí)刻。利用MOS管設(shè)計(jì)了三相橋式驅(qū)動(dòng)電路，采用單邊PWM控制方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，采用三段式啟動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)。軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了MOS管自檢、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)的功能，提高了系統(tǒng)的安全性。實(shí)驗(yàn)表明，調(diào)速系統(tǒng)性能良好，能正常驅(qū)動(dòng)新西達(dá)2217外轉(zhuǎn)子式無(wú)刷直流電機(jī)。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；無(wú)位置傳感器；調(diào)速；四旋翼飛行器；軟啟動(dòng)

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)(Unmanned aerial vehicle，UAV)的研究和應(yīng)用廣泛受到各個(gè)方面的重視。四旋翼飛行器作為UAV的一種，能夠垂直起落、空中懸停、可適用于各種飛行速度與飛行剖面，具有靈活度高、安全性好的特點(diǎn)，適用于警務(wù)監(jiān)控、新聞攝影、火場(chǎng)指揮、交通管理、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、管線巡航等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)空中實(shí)時(shí)移動(dòng)監(jiān)控。
四旋翼飛行器的動(dòng)力來(lái)源是無(wú)刷直流電機(jī)，因此針對(duì)該類無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)對(duì)飛行器的性能起著決定性的作用。為了提高四旋翼飛行器的性能，本文設(shè)計(jì)制作了飛行試驗(yàn)平臺(tái)，完成了直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)感調(diào)速系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)證明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可行的。

1 四旋翼飛行器平臺(tái)結(jié)構(gòu)
四旋翼微型飛行平臺(tái)呈十字形交叉，由4個(gè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳組成，如圖1所示。當(dāng)飛行器工作時(shí)，平臺(tái)中心對(duì)角的螺旋槳(如1與3)轉(zhuǎn)向相同，相鄰的螺旋槳(如1與2)轉(zhuǎn)向相反。同時(shí)增加減小4個(gè)螺旋槳的速度，飛行器就垂直上下運(yùn)動(dòng)；相反的改變中心對(duì)角的螺旋槳的速度，可以產(chǎn)生滾動(dòng)、俯仰等運(yùn)動(dòng)。

四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，飛行控制系統(tǒng)與無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)通過(guò)IMU慣性測(cè)量單元(由陀螺傳感器與加速度傳感器組成)檢測(cè)飛行姿態(tài)，通過(guò)無(wú)線通信模塊與地面遙控器通信。4個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)I2C總線與飛行控制器通信，通過(guò)改變4個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變飛行姿態(tài)，系統(tǒng)采用12 V電池供電，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既具有運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好，同時(shí)又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，是電機(jī)主要發(fā)展方向之一，現(xiàn)已成功應(yīng)用于軍事、航空、計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和電動(dòng)自行車等多個(gè)領(lǐng)域。在該四旋翼飛行器上使用了新西達(dá)2217外轉(zhuǎn)子式無(wú)刷直流電機(jī)，其結(jié)構(gòu)為12繞組7對(duì)磁極，典型KV值為1400。
通常無(wú)刷直流電機(jī)的控制方式分為有位置傳感器控制方式和無(wú)位置傳感器控制方式。有位置傳感器控制方式通過(guò)在定子上安裝電磁式、光電式或者磁敏式位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，為驅(qū)動(dòng)電路提供換向信息。無(wú)位置傳感器的控制方式有很多，包括磁鏈計(jì)算法、反電動(dòng)勢(shì)法、狀態(tài)觀測(cè)器法、電感法等。在各種無(wú)位置傳感器控制方法中，反電動(dòng)勢(shì)法是目前技術(shù)為成熟、應(yīng)用最廣泛的一種位置檢測(cè)方法。本系統(tǒng)采用的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法是反電動(dòng)勢(shì)法中的一種，通過(guò)檢測(cè)各相繞組反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子的位置。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的特性，電機(jī)的最佳換向時(shí)刻是相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)延遲30°電角度的時(shí)刻，而該延遲的電角度對(duì)應(yīng)的時(shí)間可以根據(jù)兩次過(guò)零點(diǎn)時(shí)間間隔計(jì)算得到。