四旋翼飛行器無(wú)刷直流電機調速系統的設計

4 無(wú)刷直流電機調速系統軟件設計
該無(wú)刷直流電機調速系統應用于四旋翼飛行器上，電機的轉速與飛行器的升力之間沒(méi)有確定的關(guān)系，而且受電機參數、螺旋槳結構與尺寸影響很大，因此該電機調速系統對電機調速的精度要求不高。飛行姿態(tài)的控制則是通過(guò)機載IMU慣性測量單元與該調速系統結合形成負反饋系統完成的，調速系統控制器通過(guò)I2C總線(xiàn)與飛行控制器通信，接收PWM占空比信號值。飛行姿態(tài)的調整在本文不做研究，因此該調速電路只要實(shí)現開(kāi)環(huán)調速即可滿(mǎn)足性能要求。該系統軟件流程圖如圖6所示。

4．1 電機啟動(dòng)程序設計
該直流無(wú)刷電機調速系統的驅動(dòng)采用軟件啟動(dòng)方式。直流無(wú)刷電機在靜止或者低速運行的時(shí)候，非導通相反電動(dòng)勢為零或者極低，不利于測量，難以實(shí)現電機的自啟動(dòng)。本設計采用三段式啟動(dòng)方法：首先給AB相通較低電壓較長(cháng)時(shí)間實(shí)現電機轉子的預定位，其次根據估測的換相時(shí)間換相逐步提高電壓縮短通電時(shí)間，最后檢測反電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)信號是否正常，正常后轉入無(wú)刷直流電機運行狀態(tài)。期間檢測系統總電流值，若超過(guò)20 A則產(chǎn)生中斷信號并關(guān)斷所有MOS管，啟動(dòng)失敗，重新啟動(dòng)。
4．2 電機調速控制程序
當電機自啟動(dòng)以后，則進(jìn)入無(wú)刷直流電機無(wú)傳感器運行狀態(tài)。選擇相應的未導通相，設置模擬比較器相應的輸入通道，打開(kāi)比較器中斷，進(jìn)行反電動(dòng)勢檢測，并且記錄中斷響應時(shí)刻，計算相鄰兩次換向時(shí)間差，計算換向延遲30°電角度需要的時(shí)間，等待換相。電機速度的調整通過(guò)PWM信號的占空比來(lái)進(jìn)行調節。
4．3 電機保護程序設計
為了防止電機堵轉、控制信號故障、硬件驅動(dòng)電路故障引起的電流過(guò)大燒毀電機，設計了保護程序。首先系統上電時(shí)會(huì )檢測系統電池電壓是否在額定范圍內，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，首先全部關(guān)斷所有MOS管檢測系統漏電流是否在安全范圍內，然后依次導通每個(gè)MOS管，關(guān)閉其他MOS管，檢測系統電流，如果遠大于系統漏電流則表明有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。正常工作中監測系統總電流，若電流超過(guò)20 A則進(jìn)入保護狀態(tài)，產(chǎn)生中斷信號并關(guān)斷所有MOS管。

5 系統測試
經(jīng)過(guò)調試，此方案下實(shí)現的四旋翼飛行器無(wú)刷直流電機調速系統能夠滿(mǎn)足要求。用安捷倫6054示波器觀(guān)測該電機調速器控制新西達2217無(wú)刷直流電機空載運行時(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)測量系統設置電機為最高轉速時(shí)系統總電流低于7 A，電機沒(méi)有發(fā)熱現象。

6 結束語(yǔ)
針對四旋翼飛行器的要求設計了該款基于A(yíng)Tmega8單片機的無(wú)刷直流電機調速系統，采用反電動(dòng)勢過(guò)零檢測法實(shí)現無(wú)傳感器控制，完成了硬件設計與軟件調試，同時(shí)設計了電機保護策略，盡可能保證系統的安全。經(jīng)試驗證明，該系統能夠正常驅動(dòng)無(wú)刷直流電機，為四旋翼飛行器提供動(dòng)力來(lái)源。