四軸飛行器無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制設計的實(shí)現

　　四軸飛行器是近來(lái)在專(zhuān)業(yè)與非專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域都非?；鸨募夹g(shù)產(chǎn)品。下面這篇文章針對四軸飛行器無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)控制，設計開(kāi)發(fā)了三相六臂全橋驅動(dòng)電路及控制程序。設計采用ATMEGA16單片機作為控制核心，利用反電勢過(guò)零點(diǎn)檢測輪流導通驅動(dòng)電路的6個(gè)MOSFET實(shí)現換向;直流無(wú)刷電機控制程序完成MOSFET上電自檢、電機啟動(dòng)軟件控制，PWM電機轉速控制以及電路保護功能。該設計電路結構簡(jiǎn)單，成本低、電機運行穩定可靠，實(shí)現了電機連續運轉。

　　近年來(lái)，四軸飛行器的研究和應用范圍逐步擴大，它采用四個(gè)無(wú)刷直流電機作為其動(dòng)力來(lái)源。無(wú)刷直流電機為外轉子結構，直接驅動(dòng)螺旋槳高速旋轉。

　　無(wú)刷主流電機的驅動(dòng)控制方式主要分為有位置傳感器和無(wú)位置傳感器的控制方式兩種。由于在四軸飛行器中的要求無(wú)刷直流電機控制器要求體積小、重量輕、高效可靠，因而采用無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機。本文采用的是朗宇X2212 kv980無(wú)刷直流電機。

　　無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制系統包括驅動(dòng)電路和系統程序控制兩部分。采用功率管的開(kāi)關(guān)特性構成三相全橋驅動(dòng)電路，之后使用DSP作為主控芯片，借助其強大的運算處理能力，實(shí)現電機的啟動(dòng)與控制，但電路結構復雜成本高，缺乏經(jīng)濟性。

　　直流無(wú)刷電機的換向采用反電勢過(guò)零檢測法，一旦檢測到第三相的反電勢過(guò)零點(diǎn)就為換向做準備。反電勢過(guò)零檢測采用虛擬中性點(diǎn)的方法，通過(guò)檢測電機各相的反電勢過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷轉子位置。而基于電機三相繞組端電壓變化規律的電機電流換向理論，可以大大提高系統控制精度。

　　本文無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)電路采用三相六臂全橋電路，控制電路的管理控制芯片采用ATmega 16單片機實(shí)現，以充分發(fā)揮其高性能、資源豐富的特點(diǎn)，因而外圍電路結構簡(jiǎn)單。無(wú)刷直流電機采用軟件啟動(dòng)和PWM速度控制的方式，實(shí)現電機的啟動(dòng)和穩定運行，大大提高四軸飛行器無(wú)刷直流電機的調速和控制性能。

　　1三相六臂全橋驅動(dòng)電路

　　無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制電路如圖1所示。該電路采用三相六臂全橋驅動(dòng)方式，采用此方式可以減少電流波動(dòng)和轉矩脈動(dòng)，使得電機輸出較大的轉矩。在電機驅動(dòng)部分使用6個(gè)功率場(chǎng)效應管控制輸出電壓，四軸飛行器中的直流無(wú)刷電機驅動(dòng)電路電源電壓為12 V.驅動(dòng)電路中，Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305(P溝道)，Q4~Q6為IRFR1205(N溝道)。該場(chǎng)效應管內藏續流二極管，為場(chǎng)效應管關(guān)斷時(shí)提供電流通路，以避免管子的反向擊穿，其典型特性參數見(jiàn)表1.T1~T3采用PDTC143ET為場(chǎng)效應管提供驅動(dòng)信號。

　　表1 MOSFET管參數

　　由圖1可知，A1~A3提供三相全橋上橋臂柵極驅動(dòng)信號，并與ATMEGA16單片機的硬件PWM驅動(dòng)信號相接，通過(guò)改變PWM信號的占空比來(lái)實(shí)現電機轉速控制;B1~B3提供下橋臂柵極驅動(dòng)信號，由單片機的I/O口直接提供，具有導通與截止兩種狀態(tài)。

　　圖1無(wú)刷直流電機三相六臂全橋驅動(dòng)電路

　　無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制采用三相六狀態(tài)控制策略，功率管具有六種觸發(fā)狀態(tài)，每次只有兩個(gè)管子導通，每60°電角度換向一次，若某一時(shí)刻AB相導通時(shí)，C相截至，無(wú)電流輸出。單片機根據檢測到的電機轉子位置，利用MOSFET的開(kāi)關(guān)特性，實(shí)現電機的通電控制，例如，當Q1、Q5打開(kāi)時(shí)，AB相導通，此時(shí)電流流向為電源正極→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負極。類(lèi)似的，當MOSFET打開(kāi)順序分別為Q1Q5，Q1Q6，Q2Q6，Q2Q4，Q3Q4，Q3Q5時(shí)，只要在合適的時(shí)機進(jìn)行準確換向，就可實(shí)現無(wú)刷直流電機的連續運轉。