小型傾轉(zhuǎn)旋翼機的無刷直流電機驅(qū)動器設(shè)計

　　摘要：為了實現(xiàn)小型傾轉(zhuǎn)旋翼機螺旋槳的可靠驅(qū)動，以ADuC7060 微控制器為核心，采用反電勢法設(shè)計了一種無位置傳感器無刷直流電機驅(qū)動器。利用MOSFET作為開關(guān)器件，給出了橋式逆變電路和位置檢測電路的原理圖。針對螺旋槳負(fù)載的特點，利用MATLAB優(yōu)化了三段式起動方法的起動加速曲線，并對轉(zhuǎn)子位置檢測電路中濾波電容產(chǎn)生的相移進(jìn)行了補償。通過調(diào)試表明，無刷直流電機能夠帶載可靠起動，并通過PWM平穩(wěn)調(diào)速，驗證了設(shè)計的有效性。

　　引言

　　傾轉(zhuǎn)旋翼機是一種集固定翼飛機和直升機優(yōu)點于一身的新型飛行器。通過傾轉(zhuǎn)軸帶動螺旋槳的傾轉(zhuǎn)，傾轉(zhuǎn)旋翼機可以實現(xiàn)垂直起降和水平飛行兩種模式的切換，因此與傳統(tǒng)飛機相比，傾轉(zhuǎn)旋翼機具有機動性強、載重量大、可垂直起降等優(yōu)點^[1]。近年來對傾轉(zhuǎn)旋翼機的研究已經(jīng)成為航空領(lǐng)域的新熱點。

　　目前，國內(nèi)已經(jīng)有研究機構(gòu)開始試制小型樣機，并對傾轉(zhuǎn)旋翼機控制系統(tǒng)進(jìn)行分析^[2]。本文在制作了小型傾轉(zhuǎn)旋翼機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)旋翼機的設(shè)計需求，選用運行可靠、電磁噪聲小的無刷直流電機作為驅(qū)動電機，并采用ADuC7060單片機為控制芯片，對傾轉(zhuǎn)旋翼機的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。

　　傾轉(zhuǎn)旋翼機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　傾轉(zhuǎn)旋翼機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為垂直起降模式和水平飛行模式。系統(tǒng)采用MEMS陀螺儀和加速度計作為傳感器，為控制器提供位置姿態(tài)信號，在負(fù)反饋機制作用下，驅(qū)動執(zhí)行器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)。以垂直起降模式為例，當(dāng)兩傾轉(zhuǎn)軸同向轉(zhuǎn)動時，就可以實現(xiàn)俯仰姿態(tài)的調(diào)節(jié);當(dāng)兩傾轉(zhuǎn)軸反向轉(zhuǎn)動時，就會為機體提供一個扭矩，實現(xiàn)偏航姿態(tài)的調(diào)節(jié);而當(dāng)左右兩個電機轉(zhuǎn)速差動時，就實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的調(diào)節(jié)。可見，無刷直流電機的平穩(wěn)調(diào)速對旋翼機系統(tǒng)至關(guān)重要。　　

 

　　無刷直流電機的驅(qū)動策略

　　本設(shè)計中采用反電勢法無位置傳感器無刷直流電機驅(qū)動策略。反電勢法不需要借助位置傳感器，僅通過檢測反電勢信號就可以判斷轉(zhuǎn)子位置，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點^[3,4]。如圖2所示，為A相繞組的反電勢在一個電周期內(nèi)的波形，其中橫軸代表當(dāng)前運行時刻的電角度，縱軸代表A相繞組產(chǎn)生的反電勢Ea。從圖中可以看出，當(dāng)檢測到反電勢信號過零點后，再延遲30°電角度即是換相點。對于三相繞組電機，每隔60°電角度就會產(chǎn)生一個反電勢過零點，過零點信號被ADuC7060微控制器檢測并處理后，就可以產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號驅(qū)動電機連續(xù)運轉(zhuǎn)?！　?/p>

 

　　無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)采用電壓為12 V的模型動力電池供電。硬件連接框圖如圖3所示，ADuC7060微控制器通過I2C接口接收來自主控制器發(fā)送的控制信號，根據(jù)轉(zhuǎn)速要求改變PWM占空比，并實時檢測反電勢過零信號，進(jìn)而通過橋式逆變電路驅(qū)動電機調(diào)速。為了保證運行安全，系統(tǒng)中還利用采樣電阻設(shè)計了欠壓/過流檢測電路，以便在電池欠壓和電機堵轉(zhuǎn)過流時為系統(tǒng)提供保護(hù)。下面將對主要單元電路分別進(jìn)行介紹。