四旋翼飛行器無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：提出了一種適用于飛行器上的無傳感器型無刷直流電機的控制方案。采用ATmega8作為系統(tǒng)控制器，利用片內(nèi)模擬比較器，通過比較電機非導(dǎo)通繞組的反電動勢與虛擬中點電壓得到過零點時刻，并延遲30°電角度作為電機換相時刻。利用MOS管設(shè)計了三相橋式驅(qū)動電路，采用單邊PWM控制方式實現(xiàn)電機調(diào)速，采用三段式啟動方法實現(xiàn)了電機的軟啟動。軟硬件結(jié)合實現(xiàn)了MOS管自檢、過流保護、欠壓保護的功能，提高了系統(tǒng)的安全性。實驗表明，調(diào)速系統(tǒng)性能良好，能正常驅(qū)動新西達2217外轉(zhuǎn)子式無刷直流電機。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；無位置傳感器；調(diào)速；四旋翼飛行器；軟啟動

近年來，無人機(Unmanned aerial vehicle，UAV)的研究和應(yīng)用廣泛受到各個方面的重視。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，適用于警務(wù)監(jiān)控、新聞攝影、火場指揮、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)空中實時移動監(jiān)控。
四旋翼飛行器的動力來源是無刷直流電機，因此針對該類無刷直流電機的調(diào)速系統(tǒng)對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)計制作了飛行試驗平臺，完成了直流無刷電機無感調(diào)速系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計。通過試驗證明該系統(tǒng)的設(shè)計是可行的。

1 四旋翼飛行器平臺結(jié)構(gòu)
四旋翼微型飛行平臺呈十字形交叉，由4個獨立電機驅(qū)動螺旋槳組成，如圖1所示。當(dāng)飛行器工作時，平臺中心對角的螺旋槳(如1與3)轉(zhuǎn)向相同，相鄰的螺旋槳(如1與2)轉(zhuǎn)向相反。同時增加減小4個螺旋槳的速度，飛行器就垂直上下運動；相反的改變中心對角的螺旋槳的速度，可以產(chǎn)生滾動、俯仰等運動。

四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)分為兩個部分，飛行控制系統(tǒng)與無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)通過IMU慣性測量單元(由陀螺傳感器與加速度傳感器組成)檢測飛行姿態(tài)，通過無線通信模塊與地面遙控器通信。4個無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)通過I2C總線與飛行控制器通信，通過改變4個無刷直流電機的轉(zhuǎn)速來改變飛行姿態(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 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)
無刷直流電動機既具有運行效率高、調(diào)速性能好，同時又具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便的優(yōu)點，是電機主要發(fā)展方向之一，現(xiàn)已成功應(yīng)用于軍事、航空、計算機、數(shù)控機床、機器人和電動自行車等多個領(lǐng)域。在該四旋翼飛行器上使用了新西達2217外轉(zhuǎn)子式無刷直流電機，其結(jié)構(gòu)為12繞組7對磁極，典型KV值為1400。
通常無刷直流電機的控制方式分為有位置傳感器控制方式和無位置傳感器控制方式。有位置傳感器控制方式通過在定子上安裝電磁式、光電式或者磁敏式位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置，為驅(qū)動電路提供換向信息。無位置傳感器的控制方式有很多，包括磁鏈計算法、反電動勢法、狀態(tài)觀測器法、電感法等。在各種無位置傳感器控制方法中，反電動勢法是目前技術(shù)為成熟、應(yīng)用最廣泛的一種位置檢測方法。本系統(tǒng)采用的反電動勢過零檢測法是反電動勢法中的一種，通過檢測各相繞組反電動勢的過零點來判斷轉(zhuǎn)子的位置。根據(jù)無刷直流電機的特性，電機的最佳換向時刻是相反電動勢過零點延遲30°電角度的時刻，而該延遲的電角度對應(yīng)的時間可以根據(jù)兩次過零點時間間隔計算得到。