四軸飛行器無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

　　近年來(lái)，四軸飛行器的研究和應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，它采用四個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)作為其動(dòng)力來(lái)源。無(wú)刷直流電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)。

　　無(wú)刷主流電機(jī)的驅(qū)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(jī)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(jī)。

　　無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電路和系統(tǒng)程序控制兩部分。采用功率管的開(kāi)關(guān)特性構(gòu)成三相全橋驅(qū)動(dòng)電路，之后使用DSP作為主控芯片，借助其強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)與控制，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，缺乏經(jīng)濟(jì)性。

　　直流無(wú)刷電機(jī)的換向采用反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)法，一旦檢測(cè)到第三相的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)就為換向做準(zhǔn)備。反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)采用虛擬中性點(diǎn)的方法，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)各相的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置。而基于電機(jī)三相繞組端電壓變化規(guī)律的電機(jī)電流換向理論，可以大大提高系統(tǒng)控制精度。

　　本文無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)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atmega16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。無(wú)刷直流電機(jī)采用軟件啟動(dòng)和PWM速度控制的方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行，大大提高四軸飛行器無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速和控制性能。

　　1 三相六臂全橋驅(qū)動(dòng)電路

　　無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖1 所示。該電路采用三相六臂全橋驅(qū)動(dòng)方式，采用此方式可以減少電流波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得電機(jī)輸出較大的轉(zhuǎn)矩。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分使用6個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管控制輸出電壓，四軸飛行器中的直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電源電壓為12 V.驅(qū)動(dòng)電路中，Q1~Q3采用IRFR 5305（P溝道），Q4~Q6為IRFR 1205（N 溝道）。該場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)藏續(xù)流二極管，為場(chǎng)效應(yīng)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(shù)見(jiàn)表1.T1~T3 采用PDTC 143ET 為場(chǎng)效應(yīng)管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

表1 MOSFET管參數(shù)

　　由圖1 可知，A1~A3 提供三相全橋上橋臂柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并與atmega16單片機(jī)的硬件PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)相接，通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制;B1~B3提供下橋臂柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由單片機(jī)的I/O口直接提供，具有導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)。

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)三相六臂全橋驅(qū)動(dòng)電路

　　無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)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(dǎo)通，每60°電角度換向一次，若某一時(shí)刻AB 相導(dǎo)通時(shí)，C 相截至，無(wú)電流輸出。單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，利用MOSFET的開(kāi)關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的通電控制，例如，當(dāng)Q1、Q5 打開(kāi)時(shí)，AB 相導(dǎo)通，此時(shí)電流流向?yàn)殡娫凑龢O→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負(fù)極。類(lèi)似的，當(dāng)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(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確換向，就可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。