四軸飛行器無刷直流電機驅(qū)動控制設(shè)計的實現(xiàn)

　　四軸飛行器是近來在專業(yè)與非專業(yè)領(lǐng)域都非常火爆的技術(shù)產(chǎn)品。下面這篇文章針對四軸飛行器無位置傳感器無刷直流電機的驅(qū)動控制，設(shè)計開發(fā)了三相六臂全橋驅(qū)動電路及控制程序。設(shè)計采用ATMEGA16單片機作為控制核心，利用反電勢過零點檢測輪流導通驅(qū)動電路的6個MOSFET實現(xiàn)換向;直流無刷電機控制程序完成MOSFET上電自檢、電機啟動軟件控制，PWM電機轉(zhuǎn)速控制以及電路保護功能。該設(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低、電機運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了電機連續(xù)運轉(zhuǎn)。

　　近年來，四軸飛行器的研究和應用范圍逐步擴大，它采用四個無刷直流電機作為其動力來源。無刷直流電機為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，直接驅(qū)動螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)。

　　無刷主流電機的驅(qū)動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。本文采用的是朗宇X2212 kv980無刷直流電機。

　　無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)包括驅(qū)動電路和系統(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)動電路，之后使用DSP作為主控芯片，借助其強大的運算處理能力，實現(xiàn)電機的啟動與控制，但電路結(jié)構(gòu)復雜成本高，缺乏經(jīng)濟性。

　　直流無刷電機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就為換向做準備。反電勢過零檢測采用虛擬中性點的方法，通過檢測電機各相的反電勢過零點來判斷轉(zhuǎn)子位置。而基于電機三相繞組端電壓變化規(guī)律的電機電流換向理論，可以大大提高系統(tǒng)控制精度。

　　本文無刷直流電機的驅(qū)動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單片機實現(xiàn)，以充分發(fā)揮其高性能、資源豐富的特點，因而外圍電路結(jié)構(gòu)簡單。無刷直流電機采用軟件啟動和PWM速度控制的方式，實現(xiàn)電機的啟動和穩(wěn)定運行，大大提高四軸飛行器無刷直流電機的調(diào)速和控制性能。

　　1三相六臂全橋驅(qū)動電路

　　無刷直流電機驅(qū)動控制電路如圖1所示。該電路采用三相六臂全橋驅(qū)動方式，采用此方式可以減少電流波動和轉(zhuǎn)矩脈動，使得電機輸出較大的轉(zhuǎn)矩。在電機驅(qū)動部分使用6個功率場效應管控制輸出電壓，四軸飛行器中的直流無刷電機驅(qū)動電路電源電壓為12 V.驅(qū)動電路中，Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305(P溝道)，Q4~Q6為IRFR1205(N溝道)。該場效應管內(nèi)藏續(xù)流二極管，為場效應管關(guān)斷時提供電流通路，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為場效應管提供驅(qū)動信號。

　　表1 MOSFET管參數(shù)

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

　　圖1無刷直流電機三相六臂全橋驅(qū)動電路

　　無刷直流電機驅(qū)動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)，每次只有兩個管子導通，每60°電角度換向一次，若某一時刻AB相導通時，C相截至，無電流輸出。單片機根據(jù)檢測到的電機轉(zhuǎn)子位置，利用MOSFET的開關(guān)特性，實現(xiàn)電機的通電控制，例如，當Q1、Q5打開時，AB相導通，此時電流流向為電源正極→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負極。類似的，當MOSFET打開順序分別為Q1Q5，Q1Q6，Q2Q6，Q2Q4，Q3Q4，Q3Q5時，只要在合適的時機進行準確換向，就可實現(xiàn)無刷直流電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)。