四軸飛行器是近來(lái)在專(zhuān)業(yè)與非專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域都非�；鸨募夹g(shù)產(chǎn)品。下面這篇文章針對四軸飛行器無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)控制，設計開(kāi)發(fā)了三相六臂全橋驅動(dòng)電路及控制程序。設計采用ATMEGA16單片機作為控制核心，利用反電勢過(guò)零點(diǎn)檢測輪流導通驅動(dòng)電路的6個(gè)MOSFET實(shí)現換向；直流無(wú)刷電機控制程序完成MOSFET上電自檢、電機啟動(dòng)軟件控制，PWM電機轉速控制以及電路保護功能。該設計電路結構簡(jiǎn)單，成本低、電機運行穩定可靠，實(shí)現了電機連續運轉。
近年來(lái)，四軸飛行器的研究和應用范圍逐步擴大，它采用四個(gè)無(wú)刷直流電機作為其動(dòng)力來(lái)源。無(wú)刷直流電機為外轉子結構，直接驅動(dòng)螺旋槳高速旋轉。
無(wú)刷主流電機的驅動(dòng)控制方式主要分為有位置傳感器和無(wú)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(wú)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(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機。本文采用的是朗宇X2212 kv980無(wú)刷直流電機。
無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制系統包括驅動(dòng)電路和系統程序控制兩部分。采用功率管的開(kāi)關(guān)特性構成三相全橋驅動(dòng)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(shí)現電機的啟動(dòng)與控制，但電路結構復雜成本高，缺乏經(jīng)濟性。
直流無(wú)刷電機的換向采用反電勢過(guò)零檢測法，一旦檢測到第三相的反電勢過(guò)零點(diǎn)就為換向做準備。反電勢過(guò)零檢測采用虛擬中性點(diǎn)的方法，通過(guò)檢測電機各相的反電勢過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷轉子位置。而基于電機三相繞組端電壓變化規律的電機電流換向理論，可以大大提高系統控制精度。
本文無(wú)刷直流電機的驅動(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單片機實(shí)現，以充分發(fā)揮其高性能、資源豐富的特點(diǎn)，因而外圍電路結構簡(jiǎn)單。無(wú)刷直流電機采用軟件啟動(dòng)和PWM速度控制的方式，實(shí)現電機的啟動(dòng)和穩定運行，大大提高四軸飛行器無(wú)刷直流電機的調速和控制性能。
1 三相六臂全橋驅動(dòng)電路
無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制電路如圖1 所示。該電路采用三相六臂全橋驅動(dòng)方式，采用此方式可以減少電流波動(dòng)和轉矩脈動(dòng)，使得電機輸出較大的轉矩。在電機驅動(dòng)部分使用6個(gè)功率場(chǎng)效應管控制輸出電壓，四軸飛行器中的直流無(wú)刷電機驅動(dòng)電路電源電壓為12 V.驅動(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(chǎng)效應管內藏續流二極管，為場(chǎng)效應管關(guān)斷時(shí)提供電流通路，以避免管子的反向擊穿，其典型特性參數見(jiàn)表1.T1~T3 采用PDTC143ET 為場(chǎng)效應管提供驅動(dòng)信號。
由圖1 可知，A1~A3 提供三相全橋上橋臂柵極驅動(dòng)信號，并與ATMEGA16單片機的硬件PWM驅動(dòng)信號相接，通過(guò)改變PWM信號的占空比來(lái)實(shí)現電機轉速控制；B1~B3提供下橋臂柵極驅動(dòng)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(wú)刷直流電機三相六臂全橋驅動(dòng)電路
無(wú)刷直流電機驅動(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)管子導通，每60°電角度換向一次，若某一時(shí)刻AB 相導通時(shí)，C 相截至，無(wú)電流輸出。單片機根據檢測到的電機轉子位置，利用MOSFET的開(kāi)關(guān)特性，實(shí)現電機的通電控制，例如，當Q1、Q5 打開(kāi)時(shí)，AB 相導通，此時(shí)電流流向為電源正極→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負極。類(lèi)似的，當MOSFET 打開(kāi)順序分別為Q1Q5,Q1Q6,Q2Q6,Q2Q4,Q3Q4,Q3Q5時(shí)，只要在合適的時(shí)機進(jìn)行準確換向，就可實(shí)現無(wú)刷直流電機的連續運轉。
2 反電勢過(guò)零檢測
無(wú)刷直流電機能夠正常連續運轉，就要對轉子位置進(jìn)行檢測，從而實(shí)現準確換向。電機轉子位置檢測方式主要有光電編碼盤(pán)、霍爾傳感器、無(wú)感測量三種方式。由于四軸飛行器無(wú)刷直流電機要求系統結構簡(jiǎn)單、重量輕，因而采用無(wú)位置傳感器的方式，利用第三相產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻延遲30°換向。雖然該方法在電機啟動(dòng)時(shí)比較麻煩，可控性差，但由于電路簡(jiǎn)單、成本低，因而適合于在正常飛行過(guò)程中不需要頻繁啟動(dòng)的四軸飛行器電機。
由于無(wú)刷直流電機的兩相導通模式，因而可以利用不導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 與單片機的AIN0 相接，Ain,Bin,Cin分別接單片機的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(guò)零點(diǎn)。ATMEGA16單片機模擬比較器的正向輸入端為AIN0,負向輸入端根據ADMUX寄存器的配置而選擇ADC0,ADC1,ADC2,從而利用了單片機自帶的模擬比較器的復用功能。當A，B相通電期間，C相反電勢與中性點(diǎn)N進(jìn)行比較，類(lèi)似的，就可以成功檢測出各相的過(guò)零事件。
圖2 反電勢檢測電路
電機的反電勢檢測出來(lái)后，就可以找到反電勢的過(guò)零點(diǎn)，在反電勢過(guò)零后延遲30°電角度進(jìn)行換向操作。
3 控制程序設計
3.1 驅動(dòng)控制電路上電自檢
無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制部分包括MOSFET 自檢、電機啟動(dòng)控制和電壓電流監測功能3部分。驅動(dòng)控制電路的上電自檢流程如圖3 所示，包括MOSFET 短路特性與導通特性測試、以防止過(guò)流損壞電路。
圖3 驅動(dòng)控制電路上電自檢流程圖
3.2 軟件啟動(dòng)控制
反電勢檢測法只有在電機正常運轉后才能進(jìn)行，當電機不轉或轉速很低時(shí)，其反電勢無(wú)法檢測，因而采用軟件啟動(dòng)的方式。針對無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機的控制，本文采用三步啟動(dòng)的方法，首先，給A,B相通電一段時(shí)間以固定電機轉子位置；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。
圖4 無(wú)刷無(wú)感直流電機啟動(dòng)流程
3.3 系統保護功能設計
四軸飛行器的系統保護功能包括電壓、電流監測功能。電池電壓監測功能電路：通過(guò)簡(jiǎn)單的分壓電路將電池電壓降到單片機A/D 轉換允許的輸入范圍內（0~5 V），通過(guò)電壓監測防止電壓不足時(shí)電機停轉；電流檢測功能電路：通過(guò)0.01 Ω電阻采樣電流，轉化為電壓，送到單片機的A/D轉換口，以防止發(fā)生故障時(shí)大電流損壞電路。在電流監測時(shí)，采用簡(jiǎn)單的數值平均濾波方式，減弱瞬時(shí)峰值電流對測量結果的影響。
4 結語(yǔ)
本文實(shí)現四軸飛行器的直流無(wú)刷電機的驅動(dòng)電路和系統控制軟件程序設計。驅動(dòng)電路采用三相六臂全橋電路，MOSFET 作為開(kāi)關(guān)元件，利用ATmega 16 單片機作為控制芯片，反電勢過(guò)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，單片機輸出PWM 實(shí)現無(wú)刷直流電機轉速調節。同時(shí)設計了電壓、電流監測電路，保證系統安全，因而，該系統能夠正常驅動(dòng)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機，并且能夠應用于四軸飛行器。 |
