0 引言

    近年來,，多旋翼無人機(jī)的研究和應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大,，大部分無人機(jī)均采用無位置傳感器無刷直流電機(jī)作為其動(dòng)力基礎(chǔ)。無感無刷直流電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),，通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使螺旋槳高速旋轉(zhuǎn),。無刷直流電機(jī)主要分為兩種，一種是有霍爾位置傳感器控制,，一種是無霍爾位置傳感器控制,。有霍爾傳感器控制的無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，可靠性差,。無位置傳感器控制的直流電機(jī)適用場合廣,，可靠性高，相對于有霍爾傳感器控制有較大優(yōu)勢,。因此,，現(xiàn)在多采用無位置傳感器控制。

    無刷直流電動(dòng)機(jī)的無位置傳感器控制中,，沒有傳感器直接檢測出轉(zhuǎn)子位置,，但在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，仍然需要轉(zhuǎn)子位置信號來控制電動(dòng)機(jī)換相,。因此,，如何獲得精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子位置信號并控制電機(jī)換相，成為無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制的關(guān)鍵,。當(dāng)前轉(zhuǎn)子獲取方法主要有反電動(dòng)勢三次諧波積分檢測法,、磁鏈估計(jì)法、續(xù)流二極管檢測法,、擴(kuò)展卡爾曼濾波法,、反電動(dòng)勢過零檢測方法等。若使用DSP作為直流電機(jī)的主控芯片^[1-2],，因?yàn)镈SP具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，所以電機(jī)可以快速并精準(zhǔn)的啟動(dòng)與控制,，但其成本較高,，電路結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，并且低速位置存在檢測誤差,。

    本文提出了一種以反電勢過零檢測原理為基礎(chǔ),，采用三向六臂全控電橋驅(qū)動(dòng)電路,，并采用復(fù)合型功率器件代替普通的MOSFET,控制模塊選取可靠性高、集成度高,、控制功能強(qiáng),、低電壓低功耗的單片機(jī)C8051F500來實(shí)現(xiàn)，因此外圍電路結(jié)構(gòu)簡單,，響應(yīng)速度快,，可靠性高。并采取軟硬件結(jié)合啟動(dòng)與PWM速度控制方式,，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行^[3-4],，大大提高多旋翼無人機(jī)無刷直流電機(jī)的調(diào)速與控制功能。

1 反電勢過零檢測

    無位置傳感器無刷直流電機(jī)反電勢過零檢測法的基本原理為：電機(jī)定子繞組采用星形接法連接,檢測電樞繞組產(chǎn)生的梯形反電動(dòng)勢波,。本系統(tǒng)采用三相電橋兩兩導(dǎo)通的控制方式,，H_PWM_ON_L_ON(上橋臂的MOSFET進(jìn)行PWM調(diào)制，下橋臂的MOSFET恒通)調(diào)制方式,，每相繞組正反向分別導(dǎo)通120°電角度,，即每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每個(gè)60°電角度換相一次,，然后通過檢測未導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢過零點(diǎn),，獲取轉(zhuǎn)子位置^[5]。永磁無刷直流電機(jī)三相繞組等效電路如圖1所示,。

    U為相電壓,，R為相電阻，i為相電流,，L為定子繞組自感,，M為定子繞組互感，e為相電勢,，u_n為定子繞組中性點(diǎn)對地電壓,，P為微分算子。則三相繞組的平衡表達(dá)式為：

    對于星形接法的三相直流無刷直流電機(jī)在兩相通電模式條件下,，滿足式(2),，并且在反電動(dòng)勢波形過零附近，導(dǎo)通兩相反電動(dòng)勢絕對值大小相等符號相反,。所以上三式相加可得：

    因此,，當(dāng)懸空相繞組端端電壓與中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較進(jìn)而獲取轉(zhuǎn)子繞組反電勢過零時(shí)刻。

    取電動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài),，增加轉(zhuǎn)子位置在T0時(shí)刻的狀態(tài),，并細(xì)化轉(zhuǎn)子位置的變化過程，得到如圖2所示的轉(zhuǎn)子位置與反向電動(dòng)勢的相互關(guān)系。

    在P1時(shí)刻,，電流從A相繞組流入,，C相繞組流出，此時(shí)線圈AA′受到一個(gè)逆時(shí)針方向的電磁力,，同時(shí)轉(zhuǎn)子受到順時(shí)針方向的作用力,。在同一時(shí)刻，CC′也會作用于轉(zhuǎn)子,，使其受到順時(shí)針方向的作用力,，并且由于B相繞組切割磁力線，產(chǎn)生負(fù)的反向電動(dòng)勢,。當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過30°電角度后在T0時(shí)刻,，B相繞組運(yùn)動(dòng)方向與磁力線平行，反向電動(dòng)勢為零,，產(chǎn)生過零信號,。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)過30°電角度后到達(dá)P2時(shí)刻便是換相時(shí)刻，控制電流由從B相繞組流入,，C相繞組流出,，如此循環(huán)往復(fù)。但是由于三相全橋的噪聲過大導(dǎo)致?lián)Q相時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組有續(xù)流過程,，這將導(dǎo)致雜散噪聲干擾電路的換相信號,，干擾換相的準(zhǔn)確性^[6-7]。所以為了優(yōu)化換向系統(tǒng)我們采用延時(shí)換相,，即延時(shí)避開繞組電感續(xù)流過程再檢測過零點(diǎn),。

    為了優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用三相電橋取代原有的H橋,，然后構(gòu)建升力測試實(shí)驗(yàn)平臺,，實(shí)驗(yàn)平臺的輸出通過TDS2014C示波器實(shí)時(shí)顯示，可測得相同占空比下通過H橋和三相電橋驅(qū)動(dòng)的旋翼產(chǎn)生的升力,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(a)和3(b)所示,。

    從圖3(a)和3(b)可看出，相同占空比下采用三相電橋驅(qū)動(dòng)的電機(jī)產(chǎn)生的升力是H橋升力的近兩倍,。

2 直流電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

    如圖4所示,，無位置傳感器無刷電機(jī)可以分為4個(gè)模塊：直流電源模塊高效率DC-DC，控制模塊C8051F500單片機(jī),，驅(qū)動(dòng)模塊IR2101驅(qū)動(dòng)陣列,，反電勢檢測模塊。電源模塊充分考慮電池瞬間高壓,、瞬間浪涌電流的情況,，在保證耐壓值高,、過電流強(qiáng)的前提下用DC-DC代替LDO電源,?？刂颇K選取可靠性高、集成度高,、控制功能強(qiáng),、低電壓低功耗的MCU，搭建通信迅速準(zhǔn)確,、控制實(shí)時(shí)無誤的控制器,。采用三組全控電橋驅(qū)動(dòng)方式，能夠高速地驅(qū)動(dòng)電機(jī)換向運(yùn)行,。

3 硬件系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 端電壓檢測電路優(yōu)化

    端電壓檢測電路如圖5所示,。作為整個(gè)硬件設(shè)計(jì)的核心，端電壓檢測電路將檢測到的三路反電勢延遲信號的過零點(diǎn)信號直接傳輸?shù)組CU中,，待轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30°電角度后MCU通過I/O口發(fā)出相應(yīng)的控制字改變PWM信號的值,，從而改變直流電機(jī)中的功率MOSFET管的兩兩導(dǎo)通順序，進(jìn)而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向,，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行并快速響應(yīng),。

3.2 電源模塊優(yōu)化

    本系統(tǒng)采用的主控是C8051F500單片機(jī)，它的工作電壓為3.3 V,。驅(qū)動(dòng)模塊采用的是TI公司的IR2101,，它的工作電壓是12 V。并且提供的電源電壓為24 V,。為了向整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供一個(gè)混合電壓系統(tǒng),。我們采用TI公司的MAX16910CASA芯片作為核心，設(shè)計(jì)出高效率降壓DC-DC電源模塊代替原有的的低電壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）電源模塊分別給單片機(jī)與IR2101使電源模塊得到優(yōu)化從而為整個(gè)系統(tǒng)提供更穩(wěn)定,，更可靠的電源,。其典型電路如圖6所示。

3.3 驅(qū)動(dòng)模塊IR2101陣列優(yōu)化

    為了保證三相全橋的效率,，全部采用N通道MOSFET 三相全控橋陣列,。單片機(jī)直接輸出的PWM控制信號不足以驅(qū)動(dòng)功率管的通斷。要在MCU控制信號與功率電路之間加上驅(qū)動(dòng)電路,。本系統(tǒng)用三個(gè)IR2101替代原有的單個(gè)IR2136已達(dá)到優(yōu)化驅(qū)動(dòng)模塊的目的,，采用三個(gè)IR2101后電路更簡單，簡化了邏輯電路對功率器件的要求,，可靠性明顯提高,。

3.4 功率管優(yōu)化

    本系統(tǒng)之前采用的是三個(gè)P型MOSFET與三個(gè)N型MOSFET結(jié)合使用作為三相電橋的開關(guān)器件，但由于P型MOSFET的阻抗較大,，響應(yīng)速率相對較慢,，故為了優(yōu)化開關(guān)器件本系統(tǒng)采用6個(gè)PSMN5R5功率MOSFET管作為開關(guān)器件,。通過對比實(shí)驗(yàn)，可以明顯看出采用全N型MOSFET的響應(yīng)速率明顯快于原有的3個(gè)N型與三個(gè)P型結(jié)合的電橋,。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示,。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    實(shí)驗(yàn)平臺：350 W無刷無位置傳感器直流電機(jī)，1 GHz,、5 GSA/s TDS2014C示波器,，DFY儀表電源箱，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模塊,，實(shí)體飛行器,。

    將原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別安裝到飛行器的兩個(gè)臂上，進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量與響應(yīng)速率測量,。通過DSP主控同時(shí)對優(yōu)化前后的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入相同PWM信號,，通過旋翼轉(zhuǎn)速變換的快慢可以測出響應(yīng)速率的相應(yīng)情況。

    圖8為旋翼轉(zhuǎn)速對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，X軸是時(shí)間,，Y軸是轉(zhuǎn)速，藍(lán)色曲線是原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)旋翼轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化而變化的曲線,；綠色曲線則是優(yōu)化后系統(tǒng)旋翼轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線,。從圖中數(shù)據(jù)可看出優(yōu)化后系統(tǒng)響應(yīng)速率提高了10%，旋翼轉(zhuǎn)速提高了10%,。

    圖9為給定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)電機(jī)帶載的反向電動(dòng)勢波形圖,，可以看出反向電動(dòng)勢過零點(diǎn)附近有很好的單調(diào)性，持續(xù)時(shí)間長,，可以很好地避免誤過零現(xiàn)象,。

    直流電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)測直流電機(jī)A相端電壓的波形如圖10所示,。從圖10(a)中可看出,，從0.46 ms～2.64 ms期間三相全控電橋總價(jià)換相六次，為一個(gè)完整的電周期,。在0.47 ms～0.83 ms為電周期的第一扇區(qū),，下橋臂B相恒通，上橋臂C相PWM調(diào)制,。端電壓不僅時(shí)刻與調(diào)制信號保持同步,，而且六個(gè)扇區(qū)的時(shí)間間隔在每一個(gè)電周期都是均勻的。結(jié)合圖10(b)與圖10(c)表明驅(qū)動(dòng)電路板占空比與電周期成反比與轉(zhuǎn)速成正比,，同時(shí)每個(gè)電周期內(nèi)六個(gè)扇區(qū)的時(shí)間間隔均勻,，端電壓輸出波形受控于全控電橋電路的調(diào)制信號。通過實(shí)際裝機(jī)證實(shí)本文所研究驅(qū)動(dòng)板可以驅(qū)動(dòng)無刷無感直流電機(jī)正常運(yùn)行,，并且為無人機(jī)的飛行提供足夠動(dòng)力,。

5 結(jié)論

    經(jīng)過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，以六個(gè)N型MOSFET功率管為核心，基于三相全控電橋PWM控制的驅(qū)動(dòng)電路,，直流電機(jī)的響應(yīng)速率提高了10%,，提高了換相的準(zhǔn)確性，旋翼升力提高了50%,，使電機(jī)的效率達(dá)到預(yù)期水平,。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體可靠性明顯提高,，能夠更好的滿足多旋翼無人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用要求,。

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