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Quad-rotor飛行器是固聯的剛性十字交叉結構的小型無人飛行器，具有固定傾角，由四個獨立電機驅動螺旋槳組成。它通過平衡四個螺旋槳產生的力來改變升力和飛行姿態，以實現穩定盤旋和精確飛行。 無刷直流電機是集交流電機和直流電機優點于一體的機電一體化產品，既具有交流電機結構簡單、運行可靠等優點，又具備直流電機運行效率高、調速性能好等特點。而無位置傳感器無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，無位置傳感器無刷直流電機作為驅動電機，介紹了Quad-rotor飛行器驅動系統的整體設計。本文主要解決無位置傳感器無刷直流電機的平穩快速起動以及電機轉子位置信號的準確獲取等問題。 無刷直流電機控制策略 電機起動方案 Quad-rotor飛行器需要螺旋槳高速旋轉產生升力，只考慮轉速精度即可，而不需考慮轉矩精度，因此，起動只要求平穩快速。對于反電勢過零檢測法，反電勢信號隨電機轉速增加而增加，在電機起動或低速運行時，反電勢信號不夠清晰，無法準確檢測，因此電機起動必須采用其他方法。 無刷直流電動機從結構上講，可以說是永磁式直流電動機，可以按他控式同步電動機方式起動。本文選擇簡單易行的三段式法外同步變頻方式起動，包括轉子預定位、加速起動和運行狀態切換三個階段。首先，要提供一個確定的功率開關電路導通狀態，并持續一段時間，使定子繞組產生合成磁勢吸引轉子，使之轉到一個確定的位置，這就完成了轉子的預定位。然后，按照功率開關管的觸發導通順序，依次導通，并且逐漸提高開關管的導通頻率，同時提高電機的端電壓，使電機的轉速逐漸提高，實現加速起動。最后，當電機轉到一定速度，反電勢信號足夠清晰時，就可以切換到正常的三相六狀態，即內同步狀態運行。 反電勢過零檢測法原理 無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、電感法以及狀態觀測器法等。反電勢過零檢測法是最常見最實用的方法。 兩相導通三相六拍運行方式的無刷直流電機，在任一時刻，電機三相中都只有兩相導通，每相的導通時間為120°。無刷直流電機的反電勢波形嚴格反映了無刷直流電機轉子磁極的位置，當無刷直流電機的某相繞組反電勢過零時，轉子直軸與該相繞組軸線恰好重合，因此只要檢測到各相繞組反電勢的過零點，就可以獲知轉子的若干個關鍵位置，再根據這些關鍵的轉子位置信號做相應的處理后，控制無刷直流電動機換相，實現無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順序邏輯關系。從反電勢的波形可知，無刷直流電機的三相繞組在一個電角度內有六個過零點，也有六個換相點，而且每個過零點都超前下個換相點30°電角度，只要檢測到六個過零點時刻，再延遲30°電角度即可得到相應的換相點時刻，據此可以確定電機轉子的位置和下次換流的時間，從而實現電機的連續運轉。 圖1 反電勢波形與逆變器功率管觸發順序邏輯關系 轉子位置檢測電路需準確檢測到反電勢信號的過零時刻，來保證無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，主要包括分壓網絡、低通濾波器、隔直、差分和比較等環節。無刷直流電機三相繞組線圈的中性點無法直接獲取，因此，要將端電壓信號經電阻分壓，得到虛擬中性點；無刷直流電機電子換相線路的控制換相信號經PWM高頻載波得到，在端電壓中必然存在一些高頻干擾，因此，電阻分壓后需經低通濾波環節濾除高頻干擾信號；再用電容隔除直流信號，此時獲得的信號包含一定的虛擬中性點電壓，用一個差分環節消除虛擬中性點的影響，最后經比較環節后送入微處理器，微處理器根據此信號，可以獲得反電勢信號的過零點，從而控制電機換相。 圖2 轉子位置檢測電路 驅動系統設計 硬件電路設計 本文采用Analog Devices的ADuC7026作微處理器，它是基于ARM7TDMI內核的控制器，有5種中斷模式，24個中斷源，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I2C，以及JTAG端口，便于程序的下載和調試；4個定時器，可滿足驅動系統程序定時要求；三相16位PWM發生器，對電子換相線路功率開關管控制方便、可靠。 如圖3所示。轉子位置檢測電路用來檢測無刷直流電機轉子的位置信號Ha、Hb和Hc，送入微處理器，在微處理器中計算得到電機的轉速，與給定轉速比較，處理后給出相應的功率開關管控制信號，與PWM高頻載波邏輯合成后，控制電子換相線路中開關管的通斷，從而實現電機的連續旋轉及閉環調速。本文中，轉速計算采用測周法，電子換相線路是由6個MOS管組成的三相全橋逆變電路。為避免電機過流損壞，由電阻在電路中采樣后，經A/D引腳輸入微處理器得到電路的電流值，若此值過大，則由軟件控制停止電機。 圖3 驅動系統原理框圖 軟件設計 本文中，無刷直流電動機驅動系統的軟件部分主要完成以下功能： (1)起動程序。由軟件實現電機外同步變頻加速起動，當電機達到一定轉速時(反電勢檢測信號已清晰可靠)，再由軟件切換至內同步，即三相六狀態運行。 (2)運行程序，包括轉子位置獲取電路，閉環調速程序。轉子位置檢測電路輸入到微處理器，檢測到的反電勢過零點信號經ADuC7026處理后輸出控制信號，控制功率開關電路通斷。轉子位置檢測電路中的低通濾波環節會使反電勢過零點信號發生相移，因此，要對反電勢過零點信號進行相位檢測并且根據轉速給出相應的相位補償，使電機運行可靠、高效。 部分程序流程圖如圖4所示。 圖4 主程序的流程圖 實驗結果及分析 實驗調試中，使用的無刷直流電機端電壓最大值是18V，KV值是900rpm/V，功率710W，定子相數為3，轉子極對數為7。 微控制器發出控制信號控制功率開關電路，起動部分采用180°導電制，控制波形是占空比為50%的方波。實際測得其中一路控制信號的波形如圖5(a)所示，其占空比為50%，與理論相符合。 控制波形經過邏輯合成及緩沖后用于控制功率開關電路的各MOS管，本設計中上橋臂的三個MOS管采用PWM控制，實際得到的功率開關管控制波形如圖5(b)所示。 圖5 開關管控制信號的獲得 在內同步調速時，用示波器同時測量微處理器發出的控制信號的波形和反電勢過零點的信號波形，如圖6所示。逐步提高PWM的占空比，即端電壓，則控制信號頻率隨著PWM占空比的增加而同步提高，即電機的轉速不斷上升，實現了閉環PWM調速，波形調速穩定可靠，轉速可達9000r/min，可以滿足飛行器的高速、高精度要求。 圖6 隨電壓增加控制波形和反饋信號波形變化 結語 本文采用ADuC7026作微處理器，給出了一種用于Quad-rotor飛行器的無刷直流電機驅動系統控制方案。實驗結果證明該驅動系統能夠很好的起動，并能夠準確檢測轉子的位置信號，實現準確換相，使電機平穩、高速運行，該驅動系統滿足飛行器要求的高速性能要求，調速范圍寬，且電機運行平穩、可靠，魯棒性強。 |
