用于Quad-rotor飛行器的無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)整體設計

引言
Quad-rotor飛行器是固聯(lián)的剛性十字交叉結(jié)構(gòu)的小型無人飛行器，具有固定傾角，由四個獨立電機驅(qū)動螺旋槳組成。它通過平衡四個螺旋槳產(chǎn)生的力來改變升力和飛行姿態(tài)，以實現(xiàn)穩(wěn)定盤旋和精確飛行。

無刷直流電機是集交流電機和直流電機優(yōu)點于一體的機電一體化產(chǎn)品，既具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠等優(yōu)點，又具備直流電機運行效率高、調(diào)速性能好等特點。而無位置傳感器無刷直流電機還可以減少外部干擾對電機的影響。

本文選擇ADuC7026作微處理器，無位置傳感器無刷直流電機作為驅(qū)動電機，介紹了Quad-rotor飛行器驅(qū)動系統(tǒng)的整體設計。本文主要解決無位置傳感器無刷直流電機的平穩(wěn)快速起動以及電機轉(zhuǎn)子位置信號的準確獲取等問題。

無刷直流電機控制策略

電機起動方案

Quad-rotor飛行器需要螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力，只考慮轉(zhuǎn)速精度即可，而不需考慮轉(zhuǎn)矩精度，因此，起動只要求平穩(wěn)快速。對于反電勢過零檢測法，反電勢信號隨電機轉(zhuǎn)速增加而增加，在電機起動或低速運行時，反電勢信號不夠清晰，無法準確檢測，因此電機起動必須采用其他方法。

無刷直流電動機從結(jié)構(gòu)上講，可以說是永磁式直流電動機，可以按他控式同步電動機方式起動。本文選擇簡單易行的三段式法外同步變頻方式起動，包括轉(zhuǎn)子預定位、加速起動和運行狀態(tài)切換三個階段。首先，要提供一個確定的功率開關電路導通狀態(tài)，并持續(xù)一段時間，使定子繞組產(chǎn)生合成磁勢吸引轉(zhuǎn)子，使之轉(zhuǎn)到一個確定的位置，這就完成了轉(zhuǎn)子的預定位。然后，按照功率開關管的觸發(fā)導通順序，依次導通，并且逐漸提高開關管的導通頻率，同時提高電機的端電壓，使電機的轉(zhuǎn)速逐漸提高，實現(xiàn)加速起動。最后，當電機轉(zhuǎn)到一定速度，反電勢信號足夠清晰時，就可以切換到正常的三相六狀態(tài)，即內(nèi)同步狀態(tài)運行。

反電勢過零檢測法原理

無位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置的方法主要有磁鏈計算法、反電勢過零檢測法、反電勢三次諧波積分法、續(xù)流二極管導通檢測方法、電感法以及狀態(tài)觀測器法等。反電勢過零檢測法是最常見最實用的方法。

兩相導通三相六拍運行方式的無刷直流電機，在任一時刻，電機三相中都只有兩相導通，每相的導通時間為120°。無刷直流電機的反電勢波形嚴格反映了無刷直流電機轉(zhuǎn)子磁極的位置，當無刷直流電機的某相繞組反電勢過零時，轉(zhuǎn)子直軸與該相繞組軸線恰好重合，因此只要檢測到各相繞組反電勢的過零點，就可以獲知轉(zhuǎn)子的若干個關鍵位置，再根據(jù)這些關鍵的轉(zhuǎn)子位置信號做相應的處理后，控制無刷直流電動機換相，實現(xiàn)無刷直流電機連續(xù)運轉(zhuǎn) 。

圖1給出了反電勢波形與逆變器功率管觸發(fā)順序邏輯關系。從反電勢的波形可知，無刷直流電機的三相繞組在一個電角度內(nèi)有六個過零點，也有六個換相點，而且每個過零點都超前下個換相點30°電角度，只要檢測到六個過零點時刻，再延遲30°電角度即可得到相應的換相點時刻，據(jù)此可以確定電機轉(zhuǎn)子的位置和下次換流的時間，從而實現(xiàn)電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)。

圖1 反電勢波形與逆變器功率管觸發(fā)順序邏輯關系

轉(zhuǎn)子位置檢測電路需準確檢測到反電勢信號的過零時刻，來保證無刷直流電機的正確換相。本文設計的轉(zhuǎn)子位置檢測電路如圖2所示，主要包括分壓網(wǎng)絡、低通濾波器、隔直、差分和比較等環(huán)節(jié)。無刷直流電機三相繞組線圈的中性點無法直接獲取，因此，要將端電壓信號經(jīng)電阻分壓，得到虛擬中性點；無刷直流電機電子換相線路的控制換相信號經(jīng)PWM高頻載波得到，在端電壓中必然存在一些高頻干擾，因此，電阻分壓后需經(jīng)低通濾波環(huán)節(jié)濾除高頻干擾信號；再用電容隔除直流信號，此時獲得的信號包含一定的虛擬中性點電壓，用一個差分環(huán)節(jié)消除虛擬中性點的影響，最后經(jīng)比較環(huán)節(jié)后送入微處理器，微處理器根據(jù)此信號，可以獲得反電勢信號的過零點，從而控制電機換相。

圖2 轉(zhuǎn)子位置檢測電路

驅(qū)動系統(tǒng)設計

硬件電路設計

本文采用Analog Devices的ADuC7026作微處理器，它是基于ARM7TDMI內(nèi)核的控制器，有5種中斷模式，24個中斷源，集成了12通道12位的ADC（1MSPS），可用于電流檢測。它的串行接口包括UART、SPI和2個I2C，以及JTAG端口，便于程序的下載和調(diào)試；4個定時器，可滿足驅(qū)動系統(tǒng)程序定時要求；三相16位PWM發(fā)生器，對電子換相線路功率開關管控制方便、可靠。