四軸飛行器無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

ATMEGA16單片機(jī)作為控制核心，利用反電勢過零點(diǎn)檢測輪流導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電路的6個(gè)MOSFET實(shí)現(xiàn)換向;直流無刷電機(jī)控制程序完成MOSFET上電自檢、電機(jī)啟動(dòng)軟件控制，PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速控制以及電路保護(hù)功能。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低、電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

0 引言

近年來，四軸飛行器的研究和應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，它采用四個(gè)無刷直流電機(jī)作為其動(dòng)力來源。無刷直流電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)。

無刷主流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方式主要分為有位置傳感器和無位置傳感器的控制方式兩種。由于在四軸飛行器中的要求無刷直流電機(jī)控制器要求體積小、重量輕、高效可靠，因而采用無位置傳感器的無刷直流電機(jī)。本文采用的是朗宇X2212 kv980無刷直流電機(jī)。

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電路和系統(tǒng)程序控制兩部分。采用功率管的開關(guān)特性構(gòu)成三相全橋驅(qū)動(dòng)電路，之后使用DSP作為主控芯片，借助其強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)與控制，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，缺乏經(jīng)濟(jì)性。

直流無刷電機(jī)的換向采用反電勢過零檢測法，一旦檢測到第三相的反電勢過零點(diǎn)就為換向做準(zhǔn)備。反電勢過零檢測采用虛擬中性點(diǎn)的方法，通過檢測電機(jī)各相的反電勢過零點(diǎn)來判斷轉(zhuǎn)子位置。而基于電機(jī)三相繞組端電壓變化規(guī)律的電機(jī)電流換向理論，可以大大提高系統(tǒng)控制精度。

本文無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用三相六臂全橋電路，控制電路的管理控制芯片采用ATmega 16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，以充分發(fā)揮其高性能、資源豐富的特點(diǎn)，因而外圍電路結(jié)構(gòu)簡單。無刷直流電機(jī)采用軟件啟動(dòng)和PWM速度控制的方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行，大大提高四軸飛行器無刷直流電機(jī)的調(diào)速和控制性能。

1 三相六臂全橋驅(qū)動(dòng)電路

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖1 所示。該電路采用三相六臂全橋驅(qū)動(dòng)方式，采用此方式可以減少電流波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得電機(jī)輸出較大的轉(zhuǎn)矩。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分使用6個(gè)功率場效應(yīng)管控制輸出電壓，四軸飛行器中的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電源電壓為12 V.驅(qū)動(dòng)電路中，Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305(P溝道)，Q4~Q6為IRFR1205(N 溝道)。該場效應(yīng)管內(nèi)藏續(xù)流二極管，為場效應(yīng)管關(guān)斷時(shí)提供電流通路，以避免管子的反向擊穿，其典型特性參數(shù)見表1.T1~T3 采用PDTC143ET 為場效應(yīng)管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

由圖1 可知，A1~A3 提供三相全橋上橋臂柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并與ATMEGA16單片機(jī)的硬件PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)相接，通過改變PWM信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制;B1~B3提供下橋臂柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由單片機(jī)的I/O口直接提供，具有導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)。

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制采用三相六狀態(tài)控制策略，功率管具有六種觸發(fā)狀態(tài)，每次只有兩個(gè)管子導(dǎo)通，每60°電角度換向一次，若某一時(shí)刻AB 相導(dǎo)通時(shí)，C 相截至，無電流輸出。單片機(jī)根據(jù)檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，利用MOSFET的開關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的通電控制，例如，當(dāng)Q1、Q5 打開時(shí)，AB 相導(dǎo)通，此時(shí)電流流向?yàn)殡娫凑龢O→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負(fù)極。類似的，當(dāng)MOSFET 打開順序分別為Q1Q5,Q1Q6,Q2Q6,Q2Q4,Q3Q4,Q3Q5時(shí)，只要在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確換向，就可實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 反電勢過零檢測

無刷直流電機(jī)能夠正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，就要對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確換向。電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測方式主要有光電編碼盤、霍爾傳感器、無感測量三種方式[10].由于四軸飛行器無刷直流電機(jī)要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，因而采用無位置傳感器的方式，利用第三相產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢過零點(diǎn)時(shí)刻延遲30°換向。雖然該方法在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)比較麻煩，可控性差，但由于電路簡單、成本低，因而適合于在正常飛行過程中不需要頻繁啟動(dòng)的四軸飛行器電機(jī)。

由于無刷直流電機(jī)的兩相導(dǎo)通模式，因而可以利用不導(dǎo)通的第三相檢測反電勢的大小。如圖2反電勢檢測電路，中性點(diǎn)N 與單片機(jī)的AIN0 相接，Ain,Bin,Cin分別接單片機(jī)的ADC0,ADC1,ADC2.不停地比較中性點(diǎn)N電壓與A,B,C三相三個(gè)端點(diǎn)電壓的大小，以檢測出每相感生電動(dòng)勢的過零點(diǎn)。ATMEGA16單片機(jī)模擬比較器的正向輸入端為AIN0,負(fù)向輸入端根據(jù)ADMUX寄存器的配置而選擇ADC0,ADC1,ADC2,從而利用了單片機(jī)自帶的模擬比較器的復(fù)用功能。當(dāng)A,B相通電期間，C相反電勢與中性點(diǎn)N進(jìn)行比較，類似的，就可以成功檢測出各相的過零事件。

電機(jī)的反電勢檢測出來后，就可以找到反電勢的過零點(diǎn)，在反電勢過零后延遲30°電角度進(jìn)行換向操作。

3 控制程序設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)控制電路上電自檢

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分包括MOSFET 自檢、電機(jī)啟動(dòng)控制和電壓電流監(jiān)測功能3部分。驅(qū)動(dòng)控制電路的上電自檢流程如圖3 所示，包括MOSFET 短路特性與導(dǎo)通特性測試、以防止過流損壞電路。

3.2 軟件啟動(dòng)控制

反電勢檢測法只有在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后才能進(jìn)行，當(dāng)電機(jī)不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速很低時(shí)，其反電勢無法檢測，因而采用軟件啟動(dòng)的方式。針對無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制，本文采用三步啟動(dòng)的方法，首先，給A,B相通電一段時(shí)間以固定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置;六狀態(tài)輪流換向，通電時(shí)間逐步減少;檢測第三相的反電勢，若正常則啟動(dòng)成功，否則重新啟動(dòng)。具體的啟動(dòng)流程如圖4所示。

3.3 系統(tǒng)保護(hù)功能設(shè)計(jì)

四軸飛行器的系統(tǒng)保護(hù)功能包括電壓、電流監(jiān)測功能。電池電壓監(jiān)測功能電路：通過簡單的分壓電路將電池電壓降到單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換允許的輸入范圍內(nèi)(0~5 V)，通過電壓監(jiān)測防止電壓不足時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn);電流檢測功能電路：通過0.01 Ω電阻采樣電流，轉(zhuǎn)化為電壓，送到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口，以防止發(fā)生故障時(shí)大電流損壞電路。在電流監(jiān)測時(shí)，采用簡單的數(shù)值平均濾波方式，減弱瞬時(shí)峰值電流對測量結(jié)果的影響。

4 結(jié)語

本文實(shí)現(xiàn)四軸飛行器的直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和系統(tǒng)控制軟件程序設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電路采用三相六臂全橋電路，MOSFET 作為開關(guān)元件，利用ATmega 16 單片機(jī)作為控制芯片，反電勢過零檢測以及軟件啟動(dòng)的控制方式，并延遲30°進(jìn)行換向。正常啟動(dòng)后，單片機(jī)輸出PWM 實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。同時(shí)設(shè)計(jì)了電壓、電流監(jiān)測電路，保證系統(tǒng)安全，因而，該系統(tǒng)能夠正常驅(qū)動(dòng)無位置傳感器無刷直流電機(jī)，并且能夠應(yīng)用于四軸飛行器。