小型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　摘要：為了實(shí)現(xiàn)小型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)螺旋槳的可靠驅(qū)動(dòng)，以ADuC7060 微控制器為核心，采用反電勢(shì)法設(shè)計(jì)了一種無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。利用MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件，給出了橋式逆變電路和位置檢測(cè)電路的原理圖。針對(duì)螺旋槳負(fù)載的特點(diǎn)，利用MATLAB優(yōu)化了三段式起動(dòng)方法的起動(dòng)加速曲線，并對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路中濾波電容產(chǎn)生的相移進(jìn)行了補(bǔ)償。通過(guò)調(diào)試表明，無(wú)刷直流電機(jī)能夠帶載可靠起動(dòng)，并通過(guò)PWM平穩(wěn)調(diào)速，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

　　引言

　　傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是一種集固定翼飛機(jī)和直升機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一身的新型飛行器。通過(guò)傾轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)螺旋槳的傾轉(zhuǎn)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可以實(shí)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(jī)相比，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、載重量大、可垂直起降等優(yōu)點(diǎn)^[1]。近年來(lái)對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的研究已經(jīng)成為航空領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

　　目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始試制小型樣機(jī)，并對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)需求，選用運(yùn)行可靠、電磁噪聲小的無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并采用ADuC7060單片機(jī)為控制芯片，對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

　　傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)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(jì)作為傳感器，為控制器提供位置姿態(tài)信號(hào)，在負(fù)反饋機(jī)制作用下，驅(qū)動(dòng)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(dòng)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)俯仰姿態(tài)的調(diào)節(jié);當(dāng)兩傾轉(zhuǎn)軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)為機(jī)體提供一個(gè)扭矩，實(shí)現(xiàn)偏航姿態(tài)的調(diào)節(jié);而當(dāng)左右兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速差動(dòng)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的調(diào)節(jié)。可見(jiàn)，無(wú)刷直流電機(jī)的平穩(wěn)調(diào)速對(duì)旋翼機(jī)系統(tǒng)至關(guān)重要?！　?/p>

 

　　無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)策略

　　本設(shè)計(jì)中采用反電勢(shì)法無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)策略。反電勢(shì)法不需要借助位置傳感器，僅通過(guò)檢測(cè)反電勢(shì)信號(hào)就可以判斷轉(zhuǎn)子位置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)^[3,4]。如圖2所示，為A相繞組的反電勢(shì)在一個(gè)電周期內(nèi)的波形，其中橫軸代表當(dāng)前運(yùn)行時(shí)刻的電角度，縱軸代表A相繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)Ea。從圖中可以看出，當(dāng)檢測(cè)到反電勢(shì)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)后，再延遲30°電角度即是換相點(diǎn)。對(duì)于三相繞組電機(jī)，每隔60°電角度就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零點(diǎn)信號(hào)被ADuC7060微控制器檢測(cè)并處理后，就可以產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)?！　?/p>

 

　　無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用電壓為12 V的模型動(dòng)力電池供電。硬件連接框圖如圖3所示，ADuC7060微控制器通過(guò)I2C接口接收來(lái)自主控制器發(fā)送的控制信號(hào)，根據(jù)轉(zhuǎn)速要求改變PWM占空比，并實(shí)時(shí)檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)橋式逆變電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速。為了保證運(yùn)行安全，系統(tǒng)中還利用采樣電阻設(shè)計(jì)了欠壓/過(guò)流檢測(cè)電路，以便在電池欠壓和電機(jī)堵轉(zhuǎn)過(guò)流時(shí)為系統(tǒng)提供保護(hù)。下面將對(duì)主要單元電路分別進(jìn)行介紹。