0 引言

    近年來,，多旋翼無人機的研究和應(yīng)用范圍逐步擴大，大部分無人機均采用無位置傳感器無刷直流電機作為其動力基礎(chǔ),。無感無刷直流電機為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),，通過驅(qū)動系統(tǒng)使螺旋槳高速旋轉(zhuǎn),。無刷直流電機主要分為兩種,，一種是有霍爾位置傳感器控制，一種是無霍爾位置傳感器控制,。有霍爾傳感器控制的無刷直流電機結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,，可靠性差。無位置傳感器控制的直流電機適用場合廣,，可靠性高,，相對于有霍爾傳感器控制有較大優(yōu)勢。因此,，現(xiàn)在多采用無位置傳感器控制,。

    無刷直流電動機的無位置傳感器控制中，沒有傳感器直接檢測出轉(zhuǎn)子位置,，但在電動機正常運轉(zhuǎn)過程中,，仍然需要轉(zhuǎn)子位置信號來控制電動機換相。因此,，如何獲得精準的轉(zhuǎn)子位置信號并控制電機換相,，成為無位置傳感器無刷直流電機控制的關(guān)鍵。當前轉(zhuǎn)子獲取方法主要有反電動勢三次諧波積分檢測法,、磁鏈估計法,、續(xù)流二極管檢測法、擴展卡爾曼濾波法,、反電動勢過零檢測方法等,。若使用DSP作為直流電機的主控芯片^[1-2]，因為DSP具有強大的運算處理能力,，所以電機可以快速并精準的啟動與控制,，但其成本較高，電路結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜,，并且低速位置存在檢測誤差,。

    本文提出了一種以反電勢過零檢測原理為基礎(chǔ)，采用三向六臂全控電橋驅(qū)動電路,，并采用復(fù)合型功率器件代替普通的MOSFET,控制模塊選取可靠性高,、集成度高、控制功能強,、低電壓低功耗的單片機C8051F500來實現(xiàn),，因此外圍電路結(jié)構(gòu)簡單,，響應(yīng)速度快，可靠性高,。并采取軟硬件結(jié)合啟動與PWM速度控制方式,，實現(xiàn)電機的啟動與穩(wěn)定運行^[3-4]，大大提高多旋翼無人機無刷直流電機的調(diào)速與控制功能,。

1 反電勢過零檢測

    無位置傳感器無刷直流電機反電勢過零檢測法的基本原理為：電機定子繞組采用星形接法連接,檢測電樞繞組產(chǎn)生的梯形反電動勢波,。本系統(tǒng)采用三相電橋兩兩導(dǎo)通的控制方式，H_PWM_ON_L_ON(上橋臂的MOSFET進行PWM調(diào)制,，下橋臂的MOSFET恒通)調(diào)制方式,，每相繞組正反向分別導(dǎo)通120°電角度，即每一瞬間有兩個功率管導(dǎo)通,，每個60°電角度換相一次,，然后通過檢測未導(dǎo)通相的反電動勢過零點，獲取轉(zhuǎn)子位置^[5],。永磁無刷直流電機三相繞組等效電路如圖1所示,。

    U為相電壓，R為相電阻,，i為相電流,，L為定子繞組自感，M為定子繞組互感,，e為相電勢,，u_n為定子繞組中性點對地電壓，P為微分算子,。則三相繞組的平衡表達式為：

    對于星形接法的三相直流無刷直流電機在兩相通電模式條件下,，滿足式(2)，并且在反電動勢波形過零附近,，導(dǎo)通兩相反電動勢絕對值大小相等符號相反,。所以上三式相加可得：

    因此，當懸空相繞組端端電壓與中性點電壓進行比較進而獲取轉(zhuǎn)子繞組反電勢過零時刻,。

    取電動機正常工作狀態(tài),，增加轉(zhuǎn)子位置在T0時刻的狀態(tài)，并細化轉(zhuǎn)子位置的變化過程,，得到如圖2所示的轉(zhuǎn)子位置與反向電動勢的相互關(guān)系,。

    在P1時刻，電流從A相繞組流入,，C相繞組流出,，此時線圈AA′受到一個逆時針方向的電磁力，同時轉(zhuǎn)子受到順時針方向的作用力,。在同一時刻,，CC′也會作用于轉(zhuǎn)子,，使其受到順時針方向的作用力，并且由于B相繞組切割磁力線,，產(chǎn)生負的反向電動勢,。當轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)過30°電角度后在T0時刻，B相繞組運動方向與磁力線平行,，反向電動勢為零,，產(chǎn)生過零信號。當轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)過30°電角度后到達P2時刻便是換相時刻,，控制電流由從B相繞組流入,，C相繞組流出,，如此循環(huán)往復(fù),。但是由于三相全橋的噪聲過大導(dǎo)致?lián)Q相時電動機繞組有續(xù)流過程，這將導(dǎo)致雜散噪聲干擾電路的換相信號,，干擾換相的準確性^[6-7],。所以為了優(yōu)化換向系統(tǒng)我們采用延時換相，即延時避開繞組電感續(xù)流過程再檢測過零點,。

    為了優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng),，采用三相電橋取代原有的H橋，然后構(gòu)建升力測試實驗平臺,，實驗平臺的輸出通過TDS2014C示波器實時顯示,，可測得相同占空比下通過H橋和三相電橋驅(qū)動的旋翼產(chǎn)生的升力，實驗結(jié)果如圖3(a)和3(b)所示,。

    從圖3(a)和3(b)可看出,，相同占空比下采用三相電橋驅(qū)動的電機產(chǎn)生的升力是H橋升力的近兩倍。

2 直流電機總體結(jié)構(gòu)

    如圖4所示,，無位置傳感器無刷電機可以分為4個模塊：直流電源模塊高效率DC-DC,，控制模塊C8051F500單片機，驅(qū)動模塊IR2101驅(qū)動陣列,，反電勢檢測模塊,。電源模塊充分考慮電池瞬間高壓、瞬間浪涌電流的情況,，在保證耐壓值高,、過電流強的前提下用DC-DC代替LDO電源?？刂颇K選取可靠性高,、集成度高、控制功能強,、低電壓低功耗的MCU,，搭建通信迅速準確,、控制實時無誤的控制器。采用三組全控電橋驅(qū)動方式,，能夠高速地驅(qū)動電機換向運行,。

3 硬件系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 端電壓檢測電路優(yōu)化

    端電壓檢測電路如圖5所示。作為整個硬件設(shè)計的核心,，端電壓檢測電路將檢測到的三路反電勢延遲信號的過零點信號直接傳輸?shù)組CU中,，待轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30°電角度后MCU通過I/O口發(fā)出相應(yīng)的控制字改變PWM信號的值，從而改變直流電機中的功率MOSFET管的兩兩導(dǎo)通順序,，進而控制直流電機的轉(zhuǎn)速與方向,，使電機穩(wěn)定運行并快速響應(yīng)。

3.2 電源模塊優(yōu)化

    本系統(tǒng)采用的主控是C8051F500單片機,，它的工作電壓為3.3 V,。驅(qū)動模塊采用的是TI公司的IR2101，它的工作電壓是12 V,。并且提供的電源電壓為24 V,。為了向整個驅(qū)動系統(tǒng)提供一個混合電壓系統(tǒng)。我們采用TI公司的MAX16910CASA芯片作為核心,，設(shè)計出高效率降壓DC-DC電源模塊代替原有的的低電壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）電源模塊分別給單片機與IR2101使電源模塊得到優(yōu)化從而為整個系統(tǒng)提供更穩(wěn)定,，更可靠的電源。其典型電路如圖6所示,。

3.3 驅(qū)動模塊IR2101陣列優(yōu)化

    為了保證三相全橋的效率,，全部采用N通道MOSFET 三相全控橋陣列。單片機直接輸出的PWM控制信號不足以驅(qū)動功率管的通斷,。要在MCU控制信號與功率電路之間加上驅(qū)動電路,。本系統(tǒng)用三個IR2101替代原有的單個IR2136已達到優(yōu)化驅(qū)動模塊的目的，采用三個IR2101后電路更簡單,，簡化了邏輯電路對功率器件的要求,，可靠性明顯提高。

3.4 功率管優(yōu)化

    本系統(tǒng)之前采用的是三個P型MOSFET與三個N型MOSFET結(jié)合使用作為三相電橋的開關(guān)器件,，但由于P型MOSFET的阻抗較大,，響應(yīng)速率相對較慢，故為了優(yōu)化開關(guān)器件本系統(tǒng)采用6個PSMN5R5功率MOSFET管作為開關(guān)器件,。通過對比實驗,，可以明顯看出采用全N型MOSFET的響應(yīng)速率明顯快于原有的3個N型與三個P型結(jié)合的電橋。驅(qū)動系統(tǒng)實物圖如圖7所示,。

4 實驗結(jié)果及分析

    實驗平臺：350 W無刷無位置傳感器直流電機,，1 GHz、5 GSA/s TDS2014C示波器，DFY儀表電源箱,，電機驅(qū)動系統(tǒng)模塊,，實體飛行器。

    將原有驅(qū)動系統(tǒng)與優(yōu)化后驅(qū)動系統(tǒng)分別安裝到飛行器的兩個臂上,，進行轉(zhuǎn)速測量與響應(yīng)速率測量,。通過DSP主控同時對優(yōu)化前后的驅(qū)動系統(tǒng)輸入相同PWM信號，通過旋翼轉(zhuǎn)速變換的快慢可以測出響應(yīng)速率的相應(yīng)情況,。

    圖8為旋翼轉(zhuǎn)速對比實驗結(jié)果,，X軸是時間，Y軸是轉(zhuǎn)速,，藍色曲線是原有驅(qū)動系統(tǒng)旋翼轉(zhuǎn)速隨時間變化而變化的曲線,；綠色曲線則是優(yōu)化后系統(tǒng)旋翼轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線。從圖中數(shù)據(jù)可看出優(yōu)化后系統(tǒng)響應(yīng)速率提高了10%,，旋翼轉(zhuǎn)速提高了10%,。

    圖9為給定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時電機帶載的反向電動勢波形圖，可以看出反向電動勢過零點附近有很好的單調(diào)性,，持續(xù)時間長,，可以很好地避免誤過零現(xiàn)象,。

    直流電機正常運行時,，實測直流電機A相端電壓的波形如圖10所示。從圖10(a)中可看出,，從0.46 ms～2.64 ms期間三相全控電橋總價換相六次,，為一個完整的電周期。在0.47 ms～0.83 ms為電周期的第一扇區(qū),，下橋臂B相恒通,，上橋臂C相PWM調(diào)制。端電壓不僅時刻與調(diào)制信號保持同步,，而且六個扇區(qū)的時間間隔在每一個電周期都是均勻的,。結(jié)合圖10(b)與圖10(c)表明驅(qū)動電路板占空比與電周期成反比與轉(zhuǎn)速成正比，同時每個電周期內(nèi)六個扇區(qū)的時間間隔均勻,，端電壓輸出波形受控于全控電橋電路的調(diào)制信號,。通過實際裝機證實本文所研究驅(qū)動板可以驅(qū)動無刷無感直流電機正常運行，并且為無人機的飛行提供足夠動力,。

5 結(jié)論

    經(jīng)過理論分析與實驗驗證,，以六個N型MOSFET功率管為核心，基于三相全控電橋PWM控制的驅(qū)動電路,，直流電機的響應(yīng)速率提高了10%,，提高了換相的準確性，旋翼升力提高了50%,，使電機的效率達到預(yù)期水平,。驅(qū)動系統(tǒng)整體可靠性明顯提高,，能夠更好的滿足多旋翼無人機的實際應(yīng)用要求。

參考文獻

[1] 冬雷.DSP原理及電機控制系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2007.

[2] 王宏偉,，梁暉無位置傳感器無刷直流電機的DSP控制技術(shù)[J].電力電子技術(shù)，2005,，39（6）：102-104.

[3] 許大中,，賀益康.電機控制(2版)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2002.

[4] 宋海龍,，楊明,，范宇，等.無刷直流電動機的無位置傳感器控制[J].電機與控制學(xué)報,，2002,，6(3)：208-212.

[5] 程時兵，張愛軍.IR2110在無刷直流電機驅(qū)動電路中的應(yīng)用[M].機電元件,，2010,，12,30.

[6] 夏長亮.無刷直流電機控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[7] 莊乾成,，杜豫平.無位置傳感器直流無刷電機控制的研究[J].制造業(yè)自動化,，2011，33(8)：98-101.

[8] 李利平,，益斌,，徐衛(wèi)忠.無刷直流電機的控制研究[J].電氣動化，2012,，34(3)：15-17.

[9] 孟磊,，蔣宏，羅俊,，等.四旋翼飛行器無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,，2011(12)：140-142.

[10] 喬維維.四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與仿真[D].太原：中北大學(xué)，2012.