基于STM32的四旋翼飛行器控制系統
2.4 電機驅動(dòng)模塊
2.4.1 電機驅動(dòng)原理
本設計選用直流無(wú)刷電機作為飛行器的動(dòng)力驅動(dòng)設備。根據無(wú)刷直流電機的換向原則,無(wú)刷直流電機的控制形式分為:開(kāi)環(huán)控制、轉速負反饋控制和電壓反饋加電流正反饋控制。其中,開(kāi)環(huán)控制無(wú)反饋進(jìn)行校對,應用于轉速精度要求不高的場(chǎng)所;轉速負反饋控制的機械性能好;電壓反饋加電流正反饋控制一般應用在動(dòng)態(tài)性能要求高的場(chǎng)合。針對本設計來(lái)說(shuō),需要實(shí)時(shí)調整電機的轉速,并且調速頻率比較大,所以在本設計中采用電壓反饋加電流正反饋控制方法。
2.4.2 電機驅動(dòng)電路設計
根據電機控制原理,本設計將電機驅動(dòng)電路劃分為三個(gè)部分:微處理器、反電動(dòng)勢檢測和功率驅動(dòng)部分。
(1)微處理器
由于無(wú)刷直流電機的換向頻率比較高,不宜使用低頻率的處理器,再加上電機的旋轉會(huì )產(chǎn)生旋轉的磁場(chǎng),對處理器有很大的干擾。通過(guò)比較,本設計采用ATMEGA8單片機作為電機驅動(dòng)微處理器。
(2)反電動(dòng)勢檢測
在換向的過(guò)程中,需要不停地檢測轉子的位置,通過(guò)轉子產(chǎn)生的反電動(dòng)勢就可以知道轉子的位置信息,通過(guò)分壓衰減原理,檢測電機三相反電動(dòng)勢電壓相對中性點(diǎn)的電壓,從而確定轉子的位置。反電動(dòng)勢檢測電路如圖5所示。

其中,A、B、C端子為電機三相電壓,R33~R38為分壓電阻,P-A、P-B、P-C分別三相反電動(dòng)勢對應電壓,P-M為中性點(diǎn)電壓。
(3)功率驅動(dòng)
功率驅動(dòng)是為了給電機提供大的電流,使其達到能夠穩定運行的目的,本設計采用并聯(lián)MOS管提高輸出的電流,在每一相上橋臂并聯(lián)3個(gè)P溝道MOS管,達到三相全橋可控的目的,在每一相的下橋臂上也并聯(lián)3個(gè)N溝道MOS管。

3 硬件系統調試
3.1 PWM控制飛行器驅動(dòng)電機調試
通過(guò)對4個(gè)電機進(jìn)行通電,加上不同占空比的PWM波形,來(lái)控制電機的轉速,記錄電源電壓、電流的變化情況,在穩定輸出11.1V,不同的占空比下,電源電流變化情況如表1所示。

由表1可知:占空比越大,電機驅動(dòng)工作需要的電流越大;在占空比達到接近極限值時(shí),電流輸出變化很小,實(shí)驗表明硬件系統能夠可靠運行。
3.2 無(wú)線(xiàn)通訊調試
通過(guò)測試無(wú)線(xiàn)的連通性、傳輸距離和丟包率,來(lái)確定無(wú)線(xiàn)模塊的性能特性。把遙控器設置為發(fā)送模式,地面站設置為接收模式,利用地面站的報警燈來(lái)指示接收的狀態(tài),成功接受一次閃一下,通過(guò)改變遙控器和接收機之間的距離,記錄一分鐘內指示燈閃爍的次數,來(lái)評估無(wú)線(xiàn)傳輸質(zhì)量;測試分別在教學(xué)樓樓道和空曠操場(chǎng)進(jìn)行,詳細記錄見(jiàn)表2。
由表2可知:無(wú)線(xiàn)通訊在15m之后的傳輸效果有明顯下降,這是由無(wú)線(xiàn)通信模塊的功率決定的,實(shí)驗表明無(wú)線(xiàn)通信部分在設計需求范圍內能夠可靠運行。
3.3 綜合調試
圖6為PID控制算法下載到四旋翼飛行器控制器進(jìn)行實(shí)際飛行控制的姿態(tài)曲線(xiàn)圖,其中①代表橫滾角,②代表俯仰角,③代表偏航角。圖6為飛行器受到側風(fēng)干擾后,姿態(tài)角受控重新收斂到平穩(0,0,0)狀態(tài)的角度數據。下圖為飛行器從某一個(gè)姿態(tài)受控收斂到平穩(0,0,0)狀態(tài)的角度數據。從實(shí)驗結果可以看出系統能穩定運行。
4 結束語(yǔ)
完成了四旋翼飛行器控制系統方案設計以及系統各個(gè)模塊硬件器件選型和電路設計,進(jìn)行了系統硬件電路的調試,實(shí)驗結果表明,系統能夠穩定、可靠運行。
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