小型倾转旋翼机无刷直流电机驱动器设计

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1、小型倾转旋翼机无刷直流电机驱动器设计　　摘要：为了实现小型倾转旋翼机螺旋桨的可靠驱动，以ADuC7060微控制器为核心，采用反电势法设计了一种无位置传感器无刷直流电机驱动器。利用MOSFET作为开关器件，给出了桥式逆变电路和位置检测电路的原理图。针对螺旋桨负载的特点，利用MATLAB优化了三段式起动方法的起动加速曲线，并对转子位置检测电路中滤波电容产生的相移进行了补偿。通过调试表明，无刷直流电机能够带载可靠起动，并通过PWM平稳调速，验证了设计的有效性。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/145573.htm关键词：倾转旋翼机；无刷直流电机；

2、反电势法；三段式起动DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2013.6.013引言倾转旋翼机是一种集固定翼飞机和直升机优点于一身的新型飞行器。通过倾转轴带动螺旋桨的倾转，倾转旋翼机可以实现垂直起降和水平飞行两种模式的切换，因此与传统飞机相比，倾转旋翼机具有机动性强、载重量大、可垂直起降等优点[1]。近年来对倾转旋翼机的研究已经成为航空领域的新热点。6目前，国内已经有研究机构开始试制小型样机，并对倾转旋翼机控制系统进行分析[2]。本文在制作了小型倾转旋翼机结构的基础上，根据旋翼机的设计需求，选用运行可靠、电磁噪声小的无刷直流电机作为驱动电机，并采用ADuC7060单

3、片机为控制芯片，对倾转旋翼机的驱动系统进行了设计。倾转旋翼机系统结构倾转旋翼机的结构如图1所示，分为垂直起降模式和水平飞行模式。系统采用MEMS陀螺仪和加速度计作为传感器，为控制器提供位置姿态信号，在负反馈机制作用下，驱动执行器进行姿态调节。以垂直起降模式为例，当两倾转轴同向转动时，就可以实现俯仰姿态的调节；当两倾转轴反向转动时，就会为机体提供一个扭矩，实现偏航姿态的调节；而当左右两个电机转速差动时，就实现滚转姿态的调节。可见，无刷直流电机的平稳调速对旋翼机系统至关重要。无刷直流电机的驱动策略无刷直流电机驱动系统硬件设计本系统采用电压为126V的模型动力电池供电。硬件连接框图如图3所

4、示，ADuC7060微控制器通过I2C接口接收来自主控制器发送的控制信号，根据转速要求改变PWM占空比，并实时检测反电势过零信号，进而通过桥式逆变电路驱动电机调速。为了保证运行安全，系统中还利用采样电阻设计了欠压/过流检测电路，以便在电池欠压和电机堵转过流时为系统提供保护。下面将对主要单元电路分别进行介绍。微控制器的选择本设计中微控制器采用的是ADI公司生产的ADuC7060单片机。ADuC7060采用ARM7TDMI内核，其内部集成了一个三相PWM接口，16个通用I/O端口，两个独立的多通道24位Σ-ΔADC，以及通用定时器和I2C串行接口等资源，性能十分优越。当工作在10.24M

5、Hz时，其功耗一般仅为25mW，满足模型机系统对低功耗的要求。三相桥式驱动电路在本系统中，逆变电路为三相桥式结构，采用上桥臂单边PWM控制。如图4所示，图中V1～V6为功率MOSFET，上桥臂选用型号为IRFR5305的P沟道功率MOSFET，当PWM输出高电平时导通；下桥臂选用型号为IRFR1205的N沟道功率MOSFET，当I/O端口输出低电平时导通。在每个功率MOSFET的前端都放置了一个三极管，目的是提高微控制器端口的驱动能力，保证MOSFET的可靠开关。在一个电周期内，控制导通相序为AB→AC→BC→BA→CA→CB，即可使电机连续旋转。反电势过零检测电路反电势检测电路如图

6、5所示，UA、UB和UC与电机绕组引出端连接，经过分压网络后得到分压点CMPA、CMPB和6CMPC，图中电容起滤波作用。同时图中电阻构成了一个星型网络，电路中NULL点可以用来虚拟中性点。这样只要利用比较器成对比较分压点与虚拟中性点电压，即可检测反电势信号的过零点。无刷直流电机驱动系统软件设计无刷直流电机驱动系统软件流程如图6所示，主要分为起动和调速两部分。由于电机转速与螺旋桨升力之间难以建立精确关系[5]，所以设计中不对电机本身单独进行闭环控制，而是根据陀螺仪提供的反馈信号，对旋翼机整体进行闭环控制。当旋翼机控制器发出速度信号后，由ADuC7060微控制器I2C总线接收。如果速度

7、信号从零开始增大，则需要进行起动，否则跳过起动程序，直接根据速度信号改变PWM的占空比，调节螺旋桨的转速。无刷直流电机的起动反电势信号在电机静止或低速时难以检测，因而电机起动时无法利用反电势信号自主换相。本文采用“三段式起动”法进行起动设计，它分为预定位、外同步加速、运行状态切换三个阶段[6]。首先给任意两相绕组通电一段时间，使转子定位到已知的位置，然后利用微控制器产生频率逐渐提高的驱动信号，使电机以类似步进电机的方式加速，待转速达到可以产生清晰的反电势信