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)

4 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于四旋翼飛行器上，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與飛行器的升力之間沒有確定的關(guān)系，而且受電機(jī)參數(shù)、螺旋槳結(jié)構(gòu)與尺寸影響很大，因此該電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)電機(jī)調(diào)速的精度要求不高。飛行姿態(tài)的控制則是通過機(jī)載IMU慣性測(cè)量單元與該調(diào)速系統(tǒng)結(jié)合形成負(fù)反饋系統(tǒng)完成的，調(diào)速系統(tǒng)控制器通過I2C總線與飛行控制器通信，接收PWM占空比信號(hào)值。飛行姿態(tài)的調(diào)整在本文不做研究，因此該調(diào)速電路只要實(shí)現(xiàn)開環(huán)調(diào)速即可滿足性能要求。該系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

4．1 電機(jī)啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)
該直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)采用軟件啟動(dòng)方式。直流無(wú)刷電機(jī)在靜止或者低速運(yùn)行的時(shí)候，非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)為零或者極低，不利于測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自啟動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用三段式啟動(dòng)方法：首先給AB相通較低電壓較長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的預(yù)定位，其次根據(jù)估測(cè)的換相時(shí)間換相逐步提高電壓縮短通電時(shí)間，最后檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)是否正常，正常后轉(zhuǎn)入無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。期間檢測(cè)系統(tǒng)總電流值，若超過20 A則產(chǎn)生中斷信號(hào)并關(guān)斷所有MOS管，啟動(dòng)失敗，重新啟動(dòng)。
4．2 電機(jī)調(diào)速控制程序
當(dāng)電機(jī)自啟動(dòng)以后，則進(jìn)入無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器運(yùn)行狀態(tài)。選擇相應(yīng)的未導(dǎo)通相，設(shè)置模擬比較器相應(yīng)的輸入通道，打開比較器中斷，進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)，并且記錄中斷響應(yīng)時(shí)刻，計(jì)算相鄰兩次換向時(shí)間差，計(jì)算換向延遲30°電角度需要的時(shí)間，等待換相。電機(jī)速度的調(diào)整通過PWM信號(hào)的占空比來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
4．3 電機(jī)保護(hù)程序設(shè)計(jì)
為了防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)、控制信號(hào)故障、硬件驅(qū)動(dòng)電路故障引起的電流過大燒毀電機(jī)，設(shè)計(jì)了保護(hù)程序。首先系統(tǒng)上電時(shí)會(huì)檢測(cè)系統(tǒng)電池電壓是否在額定范圍內(nèi)，如果電池電壓低于10 V，則關(guān)閉所有MOS管，禁止啟動(dòng)飛行。若電池電壓正常則進(jìn)行MOS管短路檢測(cè)，首先全部關(guān)斷所有MOS管檢測(cè)系統(tǒng)漏電流是否在安全范圍內(nèi)，然后依次導(dǎo)通每個(gè)MOS管，關(guān)閉其他MOS管，檢測(cè)系統(tǒng)電流，如果遠(yuǎn)大于系統(tǒng)漏電流則表明有MOS管被擊穿，停止啟動(dòng)。如果MOS管自檢全部通過則進(jìn)入正常啟動(dòng)程序。正常工作中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總電流，若電流超過20 A則進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，產(chǎn)生中斷信號(hào)并關(guān)斷所有MOS管。

5 系統(tǒng)測(cè)試
經(jīng)過調(diào)試，此方案下實(shí)現(xiàn)的四旋翼飛行器無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能夠滿足要求。用安捷倫6054示波器觀測(cè)該電機(jī)調(diào)速器控制新西達(dá)2217無(wú)刷直流電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的三相繞組相電壓波形，圖7所示PWM占空比為50％時(shí)的波形。經(jīng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置電機(jī)為最高轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)總電流低于7 A，電機(jī)沒有發(fā)熱現(xiàn)象。

6 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)四旋翼飛行器的要求設(shè)計(jì)了該款基于ATmega8單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，采用反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器控制，完成了硬件設(shè)計(jì)與軟件調(diào)試，同時(shí)設(shè)計(jì)了電機(jī)保護(hù)策略，盡可能保證系統(tǒng)的安全。經(jīng)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠正常驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，為四旋翼飛行器提供動(dòng)力來(lái)源。