四旋翼飛行器無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

4 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計
該無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于四旋翼飛行器上，電機的轉(zhuǎn)速與飛行器的升力之間沒有確定的關(guān)系，而且受電機參數(shù)、螺旋槳結(jié)構(gòu)與尺寸影響很大，因此該電機調(diào)速系統(tǒng)對電機調(diào)速的精度要求不高。飛行姿態(tài)的控制則是通過機載IMU慣性測量單元與該調(diào)速系統(tǒng)結(jié)合形成負反饋系統(tǒng)完成的，調(diào)速系統(tǒng)控制器通過I2C總線與飛行控制器通信，接收PWM占空比信號值。飛行姿態(tài)的調(diào)整在本文不做研究，因此該調(diào)速電路只要實現(xiàn)開環(huán)調(diào)速即可滿足性能要求。該系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

4．1 電機啟動程序設(shè)計
該直流無刷電機調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動采用軟件啟動方式。直流無刷電機在靜止或者低速運行的時候，非導(dǎo)通相反電動勢為零或者極低，不利于測量，難以實現(xiàn)電機的自啟動。本設(shè)計采用三段式啟動方法：首先給AB相通較低電壓較長時間實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子的預(yù)定位，其次根據(jù)估測的換相時間換相逐步提高電壓縮短通電時間，最后檢測反電動勢過零點信號是否正常，正常后轉(zhuǎn)入無刷直流電機運行狀態(tài)。期間檢測系統(tǒng)總電流值，若超過20 A則產(chǎn)生中斷信號并關(guān)斷所有MOS管，啟動失敗，重新啟動。
4．2 電機調(diào)速控制程序
當電機自啟動以后，則進入無刷直流電機無傳感器運行狀態(tài)。選擇相應(yīng)的未導(dǎo)通相，設(shè)置模擬比較器相應(yīng)的輸入通道，打開比較器中斷，進行反電動勢檢測，并且記錄中斷響應(yīng)時刻，計算相鄰兩次換向時間差，計算換向延遲30°電角度需要的時間，等待換相。電機速度的調(diào)整通過PWM信號的占空比來進行調(diào)節(jié)。
4．3 電機保護程序設(shè)計
為了防止電機堵轉(zhuǎn)、控制信號故障、硬件驅(qū)動電路故障引起的電流過大燒毀電機，設(shè)計了保護程序。首先系統(tǒng)上電時會檢測系統(tǒng)電池電壓是否在額定范圍內(nèi)，如果電池電壓低于10 V，則關(guān)閉所有MOS管，禁止啟動飛行。若電池電壓正常則進行MOS管短路檢測，首先全部關(guān)斷所有MOS管檢測系統(tǒng)漏電流是否在安全范圍內(nèi)，然后依次導(dǎo)通每個MOS管，關(guān)閉其他MOS管，檢測系統(tǒng)電流，如果遠大于系統(tǒng)漏電流則表明有MOS管被擊穿，停止啟動。如果MOS管自檢全部通過則進入正常啟動程序。正常工作中監(jiān)測系統(tǒng)總電流，若電流超過20 A則進入保護狀態(tài)，產(chǎn)生中斷信號并關(guān)斷所有MOS管。

5 系統(tǒng)測試
經(jīng)過調(diào)試，此方案下實現(xiàn)的四旋翼飛行器無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)能夠滿足要求。用安捷倫6054示波器觀測該電機調(diào)速器控制新西達2217無刷直流電機空載運行時的三相繞組相電壓波形，圖7所示PWM占空比為50％時的波形。經(jīng)測量系統(tǒng)設(shè)置電機為最高轉(zhuǎn)速時系統(tǒng)總電流低于7 A，電機沒有發(fā)熱現(xiàn)象。

6 結(jié)束語
針對四旋翼飛行器的要求設(shè)計了該款基于ATmega8單片機的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)，采用反電動勢過零檢測法實現(xiàn)無傳感器控制，完成了硬件設(shè)計與軟件調(diào)試，同時設(shè)計了電機保護策略，盡可能保證系統(tǒng)的安全。經(jīng)試驗證明，該系統(tǒng)能夠正常驅(qū)動無刷直流電機，為四旋翼飛行器提供動力來源。