用于Quad-rotor飛行器的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

如圖3所示。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)Ha、Hb和Hc，送入微處理器，在微處理器中計(jì)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與給定轉(zhuǎn)速比較，處理后給出相應(yīng)的功率開關(guān)管控制信號(hào)，與PWM高頻載波邏輯合成后，控制電子換相線路中開關(guān)管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)及閉環(huán)調(diào)速。本文中，轉(zhuǎn)速計(jì)算采用測(cè)周法，電子換相線路是由6個(gè)MOS管組成的三相全橋逆變電路。為避免電機(jī)過流損壞，由電阻在電路中采樣后，經(jīng)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(jī)。

圖3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理框圖

軟件設(shè)計(jì)

本文中，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件部分主要完成以下功能：

(1)起動(dòng)程序。由軟件實(shí)現(xiàn)電機(jī)外同步變頻加速起動(dòng)，當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)(反電勢(shì)檢測(cè)信號(hào)已清晰可靠)，再由軟件切換至內(nèi)同步，即三相六狀態(tài)運(yùn)行。

(2)運(yùn)行程序，包括轉(zhuǎn)子位置獲取電路，閉環(huán)調(diào)速程序。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路輸入到微處理器，檢測(cè)到的反電勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)經(jīng)ADuC7026處理后輸出控制信號(hào)，控制功率開關(guān)電路通斷。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路中的低通濾波環(huán)節(jié)會(huì)使反電勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)發(fā)生相移，因此，要對(duì)反電勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行相位檢測(cè)并且根據(jù)轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的相位補(bǔ)償，使電機(jī)運(yùn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)調(diào)試中，使用的無(wú)刷直流電機(jī)端電壓最大值是18V，KV值是900rpm/V，功率710W，定子相數(shù)為3，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為7。

微控制器發(fā)出控制信號(hào)控制功率開關(guān)電路，起動(dòng)部分采用180°導(dǎo)電制，控制波形是占空比為50%的方波。實(shí)際測(cè)得其中一路控制信號(hào)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(jīng)過邏輯合成及緩沖后用于控制功率開關(guān)電路的各MOS管，本設(shè)計(jì)中上橋臂的三個(gè)MOS管采用PWM控制，實(shí)際得到的功率開關(guān)管控制波形如圖5(b)所示。

圖5 開關(guān)管控制信號(hào)的獲得

在內(nèi)同步調(diào)速時(shí)，用示波器同時(shí)測(cè)量微處理器發(fā)出的控制信號(hào)的波形和反電勢(shì)過零點(diǎn)的信號(hào)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(hào)頻率隨著PWM占空比的增加而同步提高，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷上升，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)PWM調(diào)速，波形調(diào)速穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)速可達(dá)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(hào)波形變化

結(jié)語(yǔ)

本文采用ADuC7026作微處理器，給出了一種用于Quad-rotor飛行器的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠很好的起動(dòng)，并能夠準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確換相，使電機(jī)平穩(wěn)、高速運(yùn)行，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足飛行器要求的高速性能要求，調(diào)速范圍寬，且電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，魯棒性強(qiáng)。