用于Quad-rotor飛行器的無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

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(dú)立電機(jī)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定盤旋和精確飛行。

無刷直流電機(jī)是集交流電機(jī)和直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等特點(diǎn)。而無位置傳感器無刷直流電機(jī)還可以減少外部干擾對電機(jī)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(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，介紹了Quad-rotor飛行器驅(qū)動系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。本文主要解決無位置傳感器無刷直流電機(jī)的平穩(wěn)快速起動以及電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的準(zhǔn)確獲取等問題。

無刷直流電機(jī)控制策略

電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速增加而增加，在電機(jī)起動或低速運(yùn)行時，反電勢信號不夠清晰，無法準(zhǔn)確檢測，因此電機(jī)起動必須采用其他方法。

無刷直流電動機(jī)從結(jié)構(gòu)上講，可以說是永磁式直流電動機(jī)，可以按他控式同步電動機(jī)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(yù)定位、加速起動和運(yùn)行狀態(tài)切換三個階段。首先，要提供一個確定的功率開關(guān)電路導(dǎo)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(yù)定位。然后，按照功率開關(guān)管的觸發(fā)導(dǎo)通順序，依次導(dǎo)通，并且逐漸提高開關(guān)管的導(dǎo)通頻率，同時提高電機(jī)的端電壓，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸提高，實(shí)現(xiàn)加速起動。最后，當(dāng)電機(jī)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(yùn)行。

反電勢過零檢測法原理

無位置傳感器檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的方法主要有磁鏈計(jì)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(dǎo)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(shí)用的方法。

兩相導(dǎo)通三相六拍運(yùn)行方式的無刷直流電機(jī)，在任一時刻，電機(jī)三相中都只有兩相導(dǎo)通，每相的導(dǎo)通時間為120°。無刷直流電機(jī)的反電勢波形嚴(yán)格反映了無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的位置，當(dāng)無刷直流電機(jī)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(diǎn)，就可以獲知轉(zhuǎn)子的若干個關(guān)鍵位置，再根據(jù)這些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)子位置信號做相應(yīng)的處理后，控制無刷直流電動機(jī)換相，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)連續(xù)運(yùn)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(guān)系。從反電勢的波形可知，無刷直流電機(jī)的三相繞組在一個電角度內(nèi)有六個過零點(diǎn)，也有六個換相點(diǎn)，而且每個過零點(diǎn)都超前下個換相點(diǎn)30°電角度，只要檢測到六個過零點(diǎn)時刻，再延遲30°電角度即可得到相應(yīng)的換相點(diǎn)時刻，據(jù)此可以確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和下次換流的時間，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子位置檢測電路需準(zhǔn)確檢測到反電勢信號的過零時刻，來保證無刷直流電機(jī)的正確換相。本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子位置檢測電路如圖2所示，主要包括分壓網(wǎng)絡(luò)、低通濾波器、隔直、差分和比較等環(huán)節(jié)。無刷直流電機(jī)三相繞組線圈的中性點(diǎn)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(diǎn)；無刷直流電機(jī)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(diǎn)電壓，用一個差分環(huán)節(jié)消除虛擬中性點(diǎn)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(diǎn)，從而控制電機(jī)換相。

驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)

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(guān)管控制方便、可靠。

如圖3所示。轉(zhuǎn)子位置檢測電路用來檢測無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號Ha、Hb和Hc，送入微處理器，在微處理器中計(jì)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與給定轉(zhuǎn)速比較，處理后給出相應(yīng)的功率開關(guān)管控制信號，與PWM高頻載波邏輯合成后，控制電子換相線路中開關(guān)管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)及閉環(huán)調(diào)速。本文中，轉(zhuǎn)速計(jì)算采用測周法，電子換相線路是由6個MOS管組成的三相全橋逆變電路。為避免電機(jī)過流損壞，由電阻在電路中采樣后，經(jīng)A/D引腳輸入微處理器得到電路的電流值，若此值過大，則由軟件控制停止電機(jī)。

軟件設(shè)計(jì)

本文中，無刷直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的軟件部分主要完成以下功能：

(1)起動程序。由軟件實(shí)現(xiàn)電機(jī)外同步變頻加速起動，當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(反電勢檢測信號已清晰可靠)，再由軟件切換至內(nèi)同步，即三相六狀態(tài)運(yùn)行。

(2)運(yùn)行程序，包括轉(zhuǎn)子位置獲取電路，閉環(huán)調(diào)速程序。轉(zhuǎn)子位置檢測電路輸入到微處理器，檢測到的反電勢過零點(diǎn)信號經(jīng)ADuC7026處理后輸出控制信號，控制功率開關(guān)電路通斷。轉(zhuǎn)子位置檢測電路中的低通濾波環(huán)節(jié)會使反電勢過零點(diǎn)信號發(fā)生相移，因此，要對反電勢過零點(diǎn)信號進(jìn)行相位檢測并且根據(jù)轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的相位補(bǔ)償，使電機(jī)運(yùn)行可靠、高效。

部分程序流程圖如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)調(diào)試中，使用的無刷直流電機(jī)端電壓最大值是18V，KV值是900rpm/V，功率710W，定子相數(shù)為3，轉(zhuǎn)子極對數(shù)為7。

微控制器發(fā)出控制信號控制功率開關(guān)電路，起動部分采用180°導(dǎo)電制，控制波形是占空比為50%的方波。實(shí)際測得其中一路控制信號的波形如圖5(a)所示，其占空比為50%，與理論相符合。

控制波形經(jīng)過邏輯合成及緩沖后用于控制功率開關(guān)電路的各MOS管，本設(shè)計(jì)中上橋臂的三個MOS管采用PWM控制，實(shí)際得到的功率開關(guān)管控制波形如圖5(b)所示。

在內(nèi)同步調(diào)速時，用示波器同時測量微處理器發(fā)出的控制信號的波形和反電勢過零點(diǎn)的信號波形，如圖6所示。逐步提高PWM的占空比，即端電壓，則控制信號頻率隨著PWM占空比的增加而同步提高，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷上升，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)PWM調(diào)速，波形調(diào)速穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)速可達(dá)9000r/min，可以滿足飛行器的高速、高精度要求。

結(jié)語

本文采用ADuC7026作微處理器，給出了一種用于Quad-rotor飛行器的無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該驅(qū)動系統(tǒng)能夠很好的起動，并能夠準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子的位置信號，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確換相，使電機(jī)平穩(wěn)、高速運(yùn)行，該驅(qū)動系統(tǒng)滿足飛行器要求的高速性能要求，調(diào)速范圍寬，且電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，魯棒性強(qiáng)。