設(shè)計(jì)采用ATMEGA16單片機(jī)作為控制核心,利用反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)輪流導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電路的6個(gè)MOSFET實(shí)現(xiàn)換向;直流無(wú)刷電機(jī)控制程序完成MOSFET上電自檢、電機(jī)啟動(dòng)軟件控制,PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速控制以及電路保護(hù)功能。
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)。本文采用的是朗宇X2212 kv980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ATmega 16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IR公司的IRFR5305(P溝道),Q4~Q6為IRFR1205(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)見表1.T1~T3 采用PDTC143ET 為場(chǎng)效應(yīng)管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
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2 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)
無(wú)刷直流電機(jī)能夠正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),就要對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè),從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確換向。電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方式主要有光電編碼盤、霍爾傳感器、無(wú)感測(cè)量三種方式.由于四軸飛行器無(wú)刷直流電機(jī)要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕,因而采用無(wú)位置傳感器的方式,利用第三相產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻延遲30°換向。雖然該方法在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)比較麻煩,可控性差,但由于電路簡(jiǎn)單、成本低,因而適合于在正常飛行過(guò)程中不需要頻繁啟動(dòng)的四軸飛行器電機(jī)。
由于無(wú)刷直流電機(jī)的兩相導(dǎo)通模式,因而可以利用不導(dǎo)通的第三相檢測(cè)反電勢(shì)的大小。如圖2反電勢(shì)檢測(cè)電路,中性點(diǎn)N 與單片機(jī)的AIN0 相接,Ain,Bin,Cin分別接單片機(jī)的ADC0,ADC1,ADC2.不停地比較中性點(diǎn)N電壓與A,B,C三相三個(gè)端點(diǎn)電壓的大小,以檢測(cè)出每相感生電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。ATMEGA16單片機(jī)模擬比較器的正向輸入端為AIN0,負(fù)向輸入端根據(jù)ADMUX寄存器的配置而選擇ADC0,ADC1,ADC2,從而利用了單片機(jī)自帶的模擬比較器的復(fù)用功能。當(dāng)A,B相通電期間,C相反電勢(shì)與中性點(diǎn)N進(jìn)行比較,類似的,就可以成功檢測(cè)出各相的過(guò)零事件。
3 控制程序設(shè)計(jì)
3.1 驅(qū)動(dòng)控制電路上電自檢
無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分包括MOSFET 自檢、電機(jī)啟動(dòng)控制和電壓電流監(jiān)測(cè)功能3部分。驅(qū)動(dòng)控制電路的上電自檢流程如圖3 所示,包括MOSFET 短路特性與導(dǎo)通特性測(cè)試、以防止過(guò)流損壞電路。
3.2 軟件啟動(dòng)控制
反電勢(shì)檢測(cè)法只有在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后才能進(jìn)行,當(dāng)電機(jī)不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速很低時(shí),其反電勢(shì)無(wú)法檢測(cè),因而采用軟件啟動(dòng)的方式。針對(duì)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的控制,本文采用三步啟動(dòng)的方法,首先,給A,B相通電一段時(shí)間以固定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置;六狀態(tài)輪流換向,通電時(shí)間逐步減少;檢測(cè)第三相的反電勢(shì),若正常則啟動(dòng)成功,否則重新啟動(dòng)。具體的啟動(dòng)流程如圖4所示。
四軸飛行器的系統(tǒng)保護(hù)功能包括電壓、電流監(jiān)測(cè)功能。電池電壓監(jiān)測(cè)功能電路:通過(guò)簡(jiǎn)單的分壓電路將電池電壓降到單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換允許的輸入范圍內(nèi)(0~5 V),通過(guò)電壓監(jiān)測(cè)防止電壓不足時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn);電流檢測(cè)功能電路:通過(guò)0.01 Ω電阻采樣電流,轉(zhuǎn)化為電壓,送到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口,以防止發(fā)生故障時(shí)大電流損壞電路。在電流監(jiān)測(cè)時(shí),采用簡(jiǎn)單的數(shù)值平均濾波方式,減弱瞬時(shí)峰值電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
結(jié)語(yǔ)
本文實(shí)現(xiàn)四軸飛行器的直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和系統(tǒng)控制軟件程序設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電路采用三相六臂全橋電路,MOSFET 作為開關(guān)元件,利用ATmega 16 單片機(jī)作為控制芯片,反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)以及軟件啟動(dòng)的控制方式,并延遲30°進(jìn)行換向。正常啟動(dòng)后,單片機(jī)輸出PWM 實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。同時(shí)設(shè)計(jì)了電壓、電流監(jiān)測(cè)電路,保證系統(tǒng)安全,因而,該系統(tǒng)能夠正常驅(qū)動(dòng)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī),并且能夠應(yīng)用于四軸飛行器。
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