四旋翼飛行器無刷直流電機(jī)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(jī)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(jī)非導(dǎo)通繞組的反電動勢與虛擬中點(diǎn)電壓得到過零點(diǎn)時刻，并延遲30°電角度作為電機(jī)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(jī)調(diào)速，采用三段式啟動方法實現(xiàn)了電機(jī)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(jī)。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；無位置傳感器；調(diào)速；四旋翼飛行器；軟啟動

近年來，無人機(jī)(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(diǎn)，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(jī)，因此針對該類無刷直流電機(jī)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(jī)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(dú)立電機(jī)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)
無刷直流電動機(jī)既具有運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好，同時又具有交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、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、計算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)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(jī)，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(jī)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(diǎn)來判斷轉(zhuǎn)子的位置。根據(jù)無刷直流電機(jī)的特性，電機(jī)的最佳換向時刻是相反電動勢過零點(diǎn)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(diǎn)時間間隔計算得到。