四旋翼飛行器無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：提出了一種適用于飛行器上的無傳感器型無刷直流電機的控制方案。采用ATmega8作為系統(tǒng)控制器，利用片內(nèi)模擬比較器，通過比較電機非導(dǎo)通繞組的反電動勢與虛擬中點電壓得到過零點時刻，并延遲30°電角度作為電機換相時刻。利用MOS管設(shè)計了三相橋式驅(qū)動電路，采用單邊PWM控制方式實現(xiàn)電機調(diào)速，采用三段式啟動方法實現(xiàn)了電機的軟啟動。軟硬件結(jié)合實現(xiàn)了MOS管自檢、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)的功能，提高了系統(tǒng)的安全性。實驗表明，調(diào)速系統(tǒng)性能良好，能正常驅(qū)動新西達(dá)2217外轉(zhuǎn)子式無刷直流電機。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；無位置傳感器；調(diào)速；四旋翼飛行器；軟啟動

    近年來，無人機(Unmanned aerial vehicle，UAV)的研究和應(yīng)用廣泛受到各個方面的重視。四旋翼飛行器作為UAV的一種，能夠垂直起落、空中懸停、可適用于各種飛行速度與飛行剖面，具有靈活度高、安全性好的特點，適用于警務(wù)監(jiān)控、新聞攝影、火場指揮、交通管理、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、管線巡航等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)空中實時移動監(jiān)控。
    四旋翼飛行器的動力來源是無刷直流電機，因此針對該類無刷直流電機的調(diào)速系統(tǒng)對飛行器的性能起著決定性的作用。為了提高四旋翼飛行器的性能，本文設(shè)計制作了飛行試驗平臺，完成了直流無刷電機無感調(diào)速系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計。通過試驗證明該系統(tǒng)的設(shè)計是可行的。

1 四旋翼飛行器平臺結(jié)構(gòu)
    四旋翼微型飛行平臺呈十字形交叉，由4個獨立電機驅(qū)動螺旋槳組成，如圖1所示。當(dāng)飛行器工作時，平臺中心對角的螺旋槳(如1與3)轉(zhuǎn)向相同，相鄰的螺旋槳(如1與2)轉(zhuǎn)向相反。同時增加減小4個螺旋槳的速度，飛行器就垂直上下運動；相反的改變中心對角的螺旋槳的速度，可以產(chǎn)生滾動、俯仰等運動。

    四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)分為兩個部分，飛行控制系統(tǒng)與無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)通過IMU慣性測量單元(由陀螺傳感器與加速度傳感器組成)檢測飛行姿態(tài)，通過無線通信模塊與地面遙控器通信。4個無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)通過I2C總線與飛行控制器通信，通過改變4個無刷直流電機的轉(zhuǎn)速來改變飛行姿態(tài)，系統(tǒng)采用12 V電池供電，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)
    無刷直流電動機既具有運行效率高、調(diào)速性能好，同時又具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點，是電機主要發(fā)展方向之一，現(xiàn)已成功應(yīng)用于軍事、航空、計算機、數(shù)控機床、機器人和電動自行車等多個領(lǐng)域。在該四旋翼飛行器上使用了新西達(dá)2217外轉(zhuǎn)子式無刷直流電機，其結(jié)構(gòu)為12繞組7對磁極，典型KV值為1400。
    通常無刷直流電機的控制方式分為有位置傳感器控制方式和無位置傳感器控制方式。有位置傳感器控制方式通過在定子上安裝電磁式、光電式或者磁敏式位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置，為驅(qū)動電路提供換向信息。無位置傳感器的控制方式有很多，包括磁鏈計算法、反電動勢法、狀態(tài)觀測器法、電感法等。在各種無位置傳感器控制方法中，反電動勢法是目前技術(shù)為成熟、應(yīng)用最廣泛的一種位置檢測方法。本系統(tǒng)采用的反電動勢過零檢測法是反電動勢法中的一種，通過檢測各相繞組反電動勢的過零點來判斷轉(zhuǎn)子的位置。根據(jù)無刷直流電機的特性，電機的最佳換向時刻是相反電動勢過零點延遲30°電角度的時刻，而該延遲的電角度對應(yīng)的時間可以根據(jù)兩次過零點時間間隔計算得到。

3 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計
    該無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)由三相全橋驅(qū)動電路、反電勢過零檢測電路、電流電壓監(jiān)測電路組成電機驅(qū)動器。使用一片ATmega8單片機作為控制器，該單片機內(nèi)部集成了8 kB的Flash，最多具有23個可編程的I／O口，輸出時為推挽結(jié)構(gòu)輸出，驅(qū)動能力較強。片上集成了AD轉(zhuǎn)換器、模擬比較器、通用定時器、可編程計數(shù)器等資源。
3．1 三相全橋驅(qū)動電路設(shè)計
    三相全橋驅(qū)動電路利用功率型MOS管作為開關(guān)器件，選用P型MOS管FD6637與N型MOS管FD6635搭配使用，設(shè)計容量為允許通過的最大電流為30 A。FD6637的開關(guān)利用三極管9013進(jìn)行驅(qū)動、FD6635的開關(guān)直接利用單片機的I／O口驅(qū)動。電路如圖3所示。通過R17、R19、R25來減少下管FDD6635的柵極充電電流的峰值，防止震蕩并且保護(hù)MOS管；R16、R23、R24作為下拉電阻，保證下管的正常導(dǎo)通與關(guān)斷；R7、R5、R8作為上管柵極的上拉電阻，阻值選擇470 Ω，既保證了MOS管的開關(guān)速率不降低，同時也防止三極管Ic電流過大。A+、B+、C+提供驅(qū)動橋的上橋臂的柵極導(dǎo)通信號，分別通過ATmega8單片機的3個硬件PWM通道驅(qū)動，通過改變PWM信號的占空比來實現(xiàn)電機調(diào)速：A-、B-、C-提供下橋臂柵極的驅(qū)動信號，由單片機的I／O口控制，只有導(dǎo)通與關(guān)閉兩種狀態(tài)。

3．2 反電動勢過零檢測電路設(shè)計
    電機運行時，同一時刻只有兩相繞組導(dǎo)通，另外一組繞組懸空，切割磁感線生成反電動勢。反電動勢過零點指其繞組端電壓等于三相繞組的中點電壓，因此通過非導(dǎo)通相繞組的端電壓與三相繞組的中點電壓比較，就能得到過零點信號。但是電機三相繞組的中點連線未引出，采用三個阻值相同、星型連接的電阻虛擬得到中點電壓。如圖4所示，N點為虛擬中點電壓，UA、UB、UC為衰減后的電機相電壓接單片機的AD0～AD2通道。利用ATmega8內(nèi)部的模擬比較器實現(xiàn)過零比較，N接比較器的正向輸入端，該模擬比較器的負(fù)向輸入端可以通過軟件配置選擇片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器的AD0～AD2通道，用單比較器實現(xiàn)三相電壓比較。

3．3 電流電壓監(jiān)測電路設(shè)計
    電流電壓監(jiān)測電路用來監(jiān)測無刷直流電機驅(qū)動電路的總電流與系統(tǒng)供電電池電壓的值。電路如圖5所示，利用康銅絲構(gòu)成阻值為0．01Ω的電阻，總電流流過該電阻形成的電壓經(jīng)過R11與C8組成的截止頻率為2．3 kHz的一階低通濾波器后連入單片機的AD3端口，通過計算可得系統(tǒng)電流。電壓檢測電路通過簡單電阻分壓的形式將系統(tǒng)電池供電電壓調(diào)整到AD轉(zhuǎn)換器的量程范圍內(nèi)。通過電流電壓監(jiān)測防止因為故障發(fā)生時電流過大導(dǎo)致設(shè)備燒毀，也防止飛行器升空后由于電池電壓不足摔毀。

4 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計
    該無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于四旋翼飛行器上，電機的轉(zhuǎn)速與飛行器的升力之間沒有確定的關(guān)系，而且受電機參數(shù)、螺旋槳結(jié)構(gòu)與尺寸影響很大，因此該電機調(diào)速系統(tǒng)對電機調(diào)速的精度要求不高。飛行姿態(tài)的控制則是通過機載IMU慣性測量單元與該調(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 電機啟動程序設(shè)計
    該直流無刷電機調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動采用軟件啟動方式。直流無刷電機在靜止或者低速運行的時候，非導(dǎo)通相反電動勢為零或者極低，不利于測量，難以實現(xiàn)電機的自啟動。本設(shè)計采用三段式啟動方法：首先給AB相通較低電壓較長時間實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子的預(yù)定位，其次根據(jù)估測的換相時間換相逐步提高電壓縮短通電時間，最后檢測反電動勢過零點信號是否正常，正常后轉(zhuǎn)入無刷直流電機運行狀態(tài)。期間檢測系統(tǒng)總電流值，若超過20 A則產(chǎn)生中斷信號并關(guān)斷所有MOS管，啟動失敗，重新啟動。
4．2 電機調(diào)速控制程序
    當(dāng)電機自啟動以后，則進(jìn)入無刷直流電機無傳感器運行狀態(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)行反電動勢檢測，并且記錄中斷響應(yīng)時刻，計算相鄰兩次換向時間差，計算換向延遲30°電角度需要的時間，等待換相。電機速度的調(diào)整通過PWM信號的占空比來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
4．3 電機保護(hù)程序設(shè)計
    為了防止電機堵轉(zhuǎn)、控制信號故障、硬件驅(qū)動電路故障引起的電流過大燒毀電機，設(shè)計了保護(hù)程序。首先系統(tǒng)上電時會檢測系統(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，禁止啟動飛行。若電池電壓正常則進(jìn)行MOS管短路檢測，首先全部關(guān)斷所有MOS管檢測系統(tǒng)漏電流是否在安全范圍內(nèi)，然后依次導(dǎo)通每個MOS管，關(guān)閉其他MOS管，檢測系統(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。如果MOS管自檢全部通過則進(jìn)入正常啟動程序。正常工作中監(jiān)測系統(tǒng)總電流，若電流超過20 A則進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，產(chǎn)生中斷信號并關(guān)斷所有MOS管。

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

6 結(jié)束語
    針對四旋翼飛行器的要求設(shè)計了該款基于ATmega8單片機的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)，采用反電動勢過零檢測法實現(xiàn)無傳感器控制，完成了硬件設(shè)計與軟件調(diào)試，同時設(shè)計了電機保護(hù)策略，盡可能保證系統(tǒng)的安全。經(jīng)試驗證明，該系統(tǒng)能夠正常驅(qū)動無刷直流電機，為四旋翼飛行器提供動力來源。