四旋翼飛行器無(wú)刷直流電機調速系統的設計

摘要：提出了一種適用于飛行器上的無(wú)傳感器型無(wú)刷直流電機的控制方案。采用ATmega8作為系統控制器，利用片內模擬比較器，通過(guò)比較電機非導通繞組的反電動(dòng)勢與虛擬中點(diǎn)電壓得到過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，并延遲30°電角度作為電機換相時(shí)刻。利用MOS管設計了三相橋式驅動(dòng)電路，采用單邊PWM控制方式實(shí)現電機調速，采用三段式啟動(dòng)方法實(shí)現了電機的軟啟動(dòng)。軟硬件結合實(shí)現了MOS管自檢、過(guò)流保護、欠壓保護的功能，提高了系統的安全性。實(shí)驗表明，調速系統性能良好，能正常驅動(dòng)新西達2217外轉子式無(wú)刷直流電機。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機；無(wú)位置傳感器；調速；四旋翼飛行器；軟啟動(dòng)

近年來(lái)，無(wú)人機(Unmanned aerial vehicle，UAV)的研究和應用廣泛受到各個(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，具有靈活度高、安全性好的特點(diǎn)，適用于警務(wù)監控、新聞攝影、火場(chǎng)指揮、交通管理、地質(zhì)災害調查、管線(xiàn)巡航等領(lǐng)域實(shí)現空中實(shí)時(shí)移動(dòng)監控。
四旋翼飛行器的動(dòng)力來(lái)源是無(wú)刷直流電機，因此針對該類(lèi)無(wú)刷直流電機的調速系統對飛行器的性能起著(zhù)決定性的作用。為了提高四旋翼飛行器的性能，本文設計制作了飛行試驗平臺，完成了直流無(wú)刷電機無(wú)感調速系統的硬件、軟件設計。通過(guò)試驗證明該系統的設計是可行的。

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

四旋翼飛行器的控制系統分為兩個(gè)部分，飛行控制系統與無(wú)刷直流電機調速系統。飛行控制系統通過(guò)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(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊與地面遙控器通信。4個(gè)無(wú)刷直流電機調速系統通過(guò)I2C總線(xiàn)與飛行控制器通信，通過(guò)改變4個(gè)無(wú)刷直流電機的轉速來(lái)改變飛行姿態(tài)，系統采用12 V電池供電，控制系統結構圖如圖2所示。

2 無(wú)刷直流電機調速系統
無(wú)刷直流電動(dòng)機既具有運行效率高、調速性能好，同時(shí)又具有交流電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便的優(yōu)點(diǎn)，是電機主要發(fā)展方向之一，現已成功應用于軍事、航空、計算機、數控機床、機器人和電動(dòng)自行車(chē)等多個(gè)領(lǐng)域。在該四旋翼飛行器上使用了新西達2217外轉子式無(wú)刷直流電機，其結構為12繞組7對磁極，典型KV值為1400。
通常無(wú)刷直流電機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)檢測轉子的位置，為驅動(dòng)電路提供換向信息。無(wú)位置傳感器的控制方式有很多，包括磁鏈計算法、反電動(dòng)勢法、狀態(tài)觀(guān)測器法、電感法等。在各種無(wú)位置傳感器控制方法中，反電動(dòng)勢法是目前技術(shù)為成熟、應用最廣泛的一種位置檢測方法。本系統采用的反電動(dòng)勢過(guò)零檢測法是反電動(dòng)勢法中的一種，通過(guò)檢測各相繞組反電動(dòng)勢的過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷轉子的位置。根據無(wú)刷直流電機的特性，電機的最佳換向時(shí)刻是相反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)延遲30°電角度的時(shí)刻，而該延遲的電角度對應的時(shí)間可以根據兩次過(guò)零點(diǎn)時(shí)間間隔計算得到。