用于Quad-rotor飛行器的無(wú)刷直流電機驅動(dòng)系統整體設計

引言
Quad-rotor飛行器是固聯(lián)的剛性十字交叉結構的小型無(wú)人飛行器，具有固定傾角，由四個(gè)獨立電機驅動(dòng)螺旋槳組成。它通過(guò)平衡四個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的力來(lái)改變升力和飛行姿態(tài)，以實(shí)現穩定盤(pán)旋和精確飛行。

無(wú)刷直流電機是集交流電機和直流電機優(yōu)點(diǎn)于一體的機電一體化產(chǎn)品，既具有交流電機結構簡(jiǎn)單、運行可靠等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機運行效率高、調速性能好等特點(diǎn)。而無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機還可以減少外部干擾對電機的影響。

本文選擇ADuC7026作微處理器，無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機作為驅動(dòng)電機，介紹了Quad-rotor飛行器驅動(dòng)系統的整體設計。本文主要解決無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機的平穩快速起動(dòng)以及電機轉子位置信號的準確獲取等問(wèn)題。

無(wú)刷直流電機控制策略

電機起動(dòng)方案

Quad-rotor飛行器需要螺旋槳高速旋轉產(chǎn)生升力，只考慮轉速精度即可，而不需考慮轉矩精度，因此，起動(dòng)只要求平穩快速。對于反電勢過(guò)零檢測法，反電勢信號隨電機轉速增加而增加，在電機起動(dòng)或低速運行時(shí)，反電勢信號不夠清晰，無(wú)法準確檢測，因此電機起動(dòng)必須采用其他方法。

無(wú)刷直流電動(dòng)機從結構上講，可以說(shuō)是永磁式直流電動(dòng)機，可以按他控式同步電動(dòng)機方式起動(dòng)。本文選擇簡(jiǎn)單易行的三段式法外同步變頻方式起動(dòng)，包括轉子預定位、加速起動(dòng)和運行狀態(tài)切換三個(gè)階段。首先，要提供一個(gè)確定的功率開(kāi)關(guān)電路導通狀態(tài)，并持續一段時(shí)間，使定子繞組產(chǎn)生合成磁勢吸引轉子，使之轉到一個(gè)確定的位置，這就完成了轉子的預定位。然后，按照功率開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)導通順序，依次導通，并且逐漸提高開(kāi)關(guān)管的導通頻率，同時(shí)提高電機的端電壓，使電機的轉速逐漸提高，實(shí)現加速起動(dòng)。最后，當電機轉到一定速度，反電勢信號足夠清晰時(shí)，就可以切換到正常的三相六狀態(tài)，即內同步狀態(tài)運行。

反電勢過(guò)零檢測法原理

無(wú)位置傳感器檢測電機轉子位置的方法主要有磁鏈計算法、反電勢過(guò)零檢測法、反電勢三次諧波積分法、續流二極管導通檢測方法、電感法以及狀態(tài)觀(guān)測器法等。反電勢過(guò)零檢測法是最常見(jiàn)最實(shí)用的方法。

兩相導通三相六拍運行方式的無(wú)刷直流電機，在任一時(shí)刻，電機三相中都只有兩相導通，每相的導通時(shí)間為120°。無(wú)刷直流電機的反電勢波形嚴格反映了無(wú)刷直流電機轉子磁極的位置，當無(wú)刷直流電機的某相繞組反電勢過(guò)零時(shí)，轉子直軸與該相繞組軸線(xiàn)恰好重合，因此只要檢測到各相繞組反電勢的過(guò)零點(diǎn)，就可以獲知轉子的若干個(gè)關(guān)鍵位置，再根據這些關(guān)鍵的轉子位置信號做相應的處理后，控制無(wú)刷直流電動(dòng)機換相，實(shí)現無(wú)刷直流電機連續運轉 。

圖1給出了反電勢波形與逆變器功率管觸發(fā)順序邏輯關(guān)系。從反電勢的波形可知，無(wú)刷直流電機的三相繞組在一個(gè)電角度內有六個(gè)過(guò)零點(diǎn)，也有六個(gè)換相點(diǎn)，而且每個(gè)過(guò)零點(diǎn)都超前下個(gè)換相點(diǎn)30°電角度，只要檢測到六個(gè)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，再延遲30°電角度即可得到相應的換相點(diǎn)時(shí)刻，據此可以確定電機轉子的位置和下次換流的時(shí)間，從而實(shí)現電機的連續運轉。

圖1 反電勢波形與逆變器功率管觸發(fā)順序邏輯關(guān)系

轉子位置檢測電路需準確檢測到反電勢信號的過(guò)零時(shí)刻，來(lái)保證無(wú)刷直流電機的正確換相。本文設計的轉子位置檢測電路如圖2所示，主要包括分壓網(wǎng)絡(luò )、低通濾波器、隔直、差分和比較等環(huán)節。無(wú)刷直流電機三相繞組線(xiàn)圈的中性點(diǎn)無(wú)法直接獲取，因此，要將端電壓信號經(jīng)電阻分壓，得到虛擬中性點(diǎn)；無(wú)刷直流電機電子換相線(xiàn)路的控制換相信號經(jīng)PWM高頻載波得到，在端電壓中必然存在一些高頻干擾，因此，電阻分壓后需經(jīng)低通濾波環(huán)節濾除高頻干擾信號；再用電容隔除直流信號，此時(shí)獲得的信號包含一定的虛擬中性點(diǎn)電壓，用一個(gè)差分環(huán)節消除虛擬中性點(diǎn)的影響，最后經(jīng)比較環(huán)節后送入微處理器，微處理器根據此信號，可以獲得反電勢信號的過(guò)零點(diǎn)，從而控制電機換相。

圖2 轉子位置檢測電路

驅動(dòng)系統設計

硬件電路設計

本文采用Analog Devices的ADuC7026作微處理器，它是基于A(yíng)RM7TDMI內核的控制器，有5種中斷模式，24個(gè)中斷源，集成了12通道12位的ADC（1MSPS），可用于電流檢測。它的串行接口包括UART、SPI和2個(gè)I2C，以及JTAG端口，便于程序的下載和調試；4個(gè)定時(shí)器，可滿(mǎn)足驅動(dòng)系統程序定時(shí)要求；三相16位PWM發(fā)生器，對電子換相線(xiàn)路功率開(kāi)關(guān)管控制方便、可靠。