四旋翼飛行器無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孟 磊 ，蔣 宏 ，羅 俊 ，鐘疏桐

（1.武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)（Unmanned aerial vehicle，UAV）的研究和應(yīng)用廣泛受到各個(gè)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[1]，具有靈活度高、安全性好的特點(diǎn)，適用于警務(wù)監(jiān)控、新聞攝影、火場(chǎng)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(shí)時(shí)移動(dòng)監(jiān)控。

四旋翼飛行器的動(dòng)力來(lái)源是無(wú)刷直流電機(jī)，因此針對(duì)該類無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)對(duì)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(jì)制作了飛行試驗(yàn)平臺(tái)，完成了直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)感調(diào)速系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)證明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可行的。下運(yùn)動(dòng)；相反的改變中心對(duì)角的螺旋槳的速度，可以產(chǎn)生滾動(dòng)、俯仰等運(yùn)動(dòng)。

圖1 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the quadrotor

1 四旋翼飛行器平臺(tái)結(jié)構(gòu)

四旋翼微型飛行平臺(tái)呈十字形交叉，由4個(gè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳組成，如圖1所示。當(dāng)飛行器工作時(shí)，平臺(tái)中心對(duì)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(shí)增加減小4個(gè)螺旋槳的速度，飛行器就垂直上

四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，飛行控制系統(tǒng)與無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)通過(guò)IMU慣性測(cè)量單元（由陀螺傳感器與加速度傳感器組成）檢測(cè)飛行姿態(tài)，通過(guò)無(wú)線通信模塊與地面遙控器通信。4個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)I2C總線與飛行控制器通信，通過(guò)改變4個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)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。

圖2 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure schematic of the quadrotor control system

2 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既具有運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好，同時(shí)又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，是電機(jī)主要發(fā)展方向之一，現(xiàn)已成功應(yīng)用于軍事、航空、計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和電動(dòng)自行車等多個(gè)領(lǐng)域[2]。在該四旋翼飛行器上使用了新西達(dá)2217外轉(zhuǎn)子式無(wú)刷直流電機(jī)，其結(jié)構(gòu)為12繞組7對(duì)磁極，典型KV值為1 400。

通常無(wú)刷直流電機(jī)的控制方式分為有位置傳感器控制方式和無(wú)位置傳感器控制方式。有位置傳感器控制方式通過(guò)在定子上安裝電磁式、光電式或者磁敏式位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，為驅(qū)動(dòng)電路提供換向信息。無(wú)位置傳感器的控制方式有很多，包括磁鏈計(jì)算法、反電動(dòng)勢(shì)法、狀態(tài)觀測(cè)器法、電感法等[3]。在各種無(wú)位置傳感器控制方法中，反電動(dòng)勢(shì)法是目前技術(shù)為成熟、應(yīng)用最廣泛的一種位置檢測(cè)方法。本系統(tǒng)采用的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法是反電動(dòng)勢(shì)法中的一種，通過(guò)檢測(cè)各相繞組反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子的位置。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的特性，電機(jī)的最佳換向時(shí)刻是相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)延遲30°電角度的時(shí)刻，而該延遲的電角度對(duì)應(yīng)的時(shí)間可以根據(jù)兩次過(guò)零點(diǎn)時(shí)間間隔計(jì)算得到。

3 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由三相全橋驅(qū)動(dòng)電路、反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路、電流電壓監(jiān)測(cè)電路組成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。使用一片ATmega8單片機(jī)作為控制器，該單片機(jī)內(nèi)部集成了8 kB的Flash，最多具有23個(gè)可編程的I/O口，輸出時(shí)為推挽結(jié)構(gòu)輸出，驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)。片上集成了AD轉(zhuǎn)換器、模擬比較器、通用定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器等資源。

3.1 三相全橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

三相全橋驅(qū)動(dòng)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(jì)容量為允許通過(guò)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(dòng)、FD6635的開關(guān)直接利用單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)。電路如圖3所示。通過(guò)R17、R19、R25來(lái)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；R2、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(shí)也防止三極管Ic電流過(guò)大。A+、B+、C+提供驅(qū)動(dòng)橋的上橋臂的柵極導(dǎo)通信號(hào)，分別通過(guò)ATmega8單片機(jī)的3個(gè)硬件PWM通道驅(qū)動(dòng)[4]，通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速；A-、B-、C-提供下橋臂柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由單片機(jī)的I/O口控制，只有導(dǎo)通與關(guān)閉兩種狀態(tài)。

圖3 三相全橋驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.3 Circuit of three-phase bridge driver

3.2 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，同一時(shí)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(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)指其繞組端電壓等于三相繞組的中點(diǎn)電壓，因此通過(guò)非導(dǎo)通相繞組的端電壓與三相繞組的中點(diǎn)電壓比較，就能得到過(guò)零點(diǎn)信號(hào)。但是電機(jī)三相繞組的中點(diǎn)連線未引出，采用三個(gè)阻值相同、星型連接的電阻虛擬得到中點(diǎn)電壓。如圖4所示，N點(diǎn)為虛擬中點(diǎn)電壓[5]，UA、UB、UC為衰減后的電機(jī)相電壓接單片機(jī)的AD0～AD2通道。利用ATmega8內(nèi)部的模擬比較器實(shí)現(xiàn)過(guò)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(guò)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(shí)現(xiàn)三相電壓比較。

圖4 反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路圖Fig.4 Circuit of back-EMF voltage detection

3.3 電流電壓監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

電流電壓監(jiān)測(cè)電路用來(lái)監(jiān)測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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0.01 Ω的電阻，總電流流過(guò)該電阻形成的電壓經(jīng)過(guò)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(jī)的AD3端口，通過(guò)計(jì)算可得系統(tǒng)電流。電壓檢測(cè)電路通過(guò)簡(jiǎn)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(guò)電流電壓監(jiān)測(cè)防止因?yàn)楣收习l(fā)生時(shí)電流過(guò)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。

圖5 電流電壓監(jiān)測(cè)電路圖Fig.5 Circuit of current and voltage detection

4 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于四旋翼飛行器上，電機(jī)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(jī)參數(shù)、螺旋槳結(jié)構(gòu)與尺寸影響很大，因此該電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)電機(jī)調(diào)速的精度要求不高。飛行姿態(tài)的控制則是通過(guò)機(jī)載IMU慣性測(cè)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(guò)I2C總線與飛行控制器通信，接收PWM占空比信號(hào)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(shí)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。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 Flow chart of system

4.1 電機(jī)啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)

該直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)采用軟件啟動(dòng)方式。直流無(wú)刷電機(jī)在靜止或者低速運(yùn)行的時(shí)候，非導(dǎo)通相反電動(dòng)勢(shì)為零或者極低，不利于測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自啟動(dòng)[6]。本設(shè)計(jì)采用三段式啟動(dòng)方法：首先給AB相通較低電壓較長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的預(yù)定位，其次根據(jù)估測(cè)的換相時(shí)間換相逐步提高電壓縮短通電時(shí)間，最后檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信號(hào)是否正常，正常后轉(zhuǎn)入無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。期間檢測(cè)系統(tǒng)總電流值，若超過(guò)20 A則產(chǎn)生中斷信號(hào)并關(guān)斷所有MOS管，啟動(dòng)失敗，重新啟動(dòng)。

4.2 電機(jī)調(diào)速控制程序

當(dāng)電機(jī)自啟動(dòng)以后，則進(jìn)入無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器運(yùn)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(dòng)勢(shì)檢測(cè)，并且記錄中斷響應(yīng)時(shí)刻，計(jì)算相鄰兩次換向時(shí)間差，計(jì)算換向延遲30°電角度需要的時(shí)間，等待換相。電機(jī)速度的調(diào)整通過(guò)PWM信號(hào)的占空比來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.3 電機(jī)保護(hù)程序設(shè)計(jì)

為了防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)、控制信號(hào)故障、硬件驅(qū)動(dòng)電路故障引起的電流過(guò)大燒毀電機(jī)，設(shè)計(jì)了保護(hù)程序。首先系統(tǒng)上電時(shí)會(huì)檢測(cè)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(dòng)飛行。若電池電壓正常則進(jìn)行MOS管短路檢測(cè)，首先全部關(guān)斷所有MOS管檢測(cè)系統(tǒng)漏電流是否在安全范圍內(nèi)，然后依次導(dǎo)通每個(gè)MOS管，關(guān)閉其他MOS管，檢測(cè)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(dòng)。如果MOS管自檢全部通過(guò)則進(jìn)入正常啟動(dòng)程序。正常工作中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總電流，若電流超過(guò)20 A則進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，產(chǎn)生中斷信號(hào)并關(guān)斷所有MOS管。

5 系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過(guò)調(diào)試，此方案下實(shí)現(xiàn)的四旋翼飛行器無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能夠滿足要求。用安捷倫6054示波器觀測(cè)該電機(jī)調(diào)速器控制新西達(dá)2217無(wú)刷直流電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的三相繞組相電壓波形，圖7所示PWM占空比為50%時(shí)的波形。經(jīng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置電機(jī)為最高轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)總電流低于7 A，電機(jī)沒有發(fā)熱現(xiàn)象。

圖7 PWM占空比為50%時(shí)三相電樞電壓Fig.7 Waveform figure of armature voltage(50%PWM)

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)四旋翼飛行器的要求設(shè)計(jì)了該款基于ATmega8單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，采用反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器控制，完成了硬件設(shè)計(jì)與軟件調(diào)試，同時(shí)設(shè)計(jì)了電機(jī)保護(hù)策略，盡可能保證系統(tǒng)的安全。經(jīng)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠正常驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)，為四旋翼飛行器提供動(dòng)力來(lái)源。

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