用于Quad-rotor飛行器的無刷直流電機驅動系統整體設計

引言
Quad-rotor飛行器是固聯的剛性十字交叉結構的小型無人飛行器，具有固定傾角，由四個獨立電機驅動螺旋槳組成。它通過平衡四個螺旋槳產生的力來改變升力和飛行姿態，以實現穩定盤旋和精確飛行。

無刷直流電機是集交流電機和直流電機優點于一體的機電一體化產品，既具有交流電機結構簡單、運行可靠等優點，又具備直流電機運行效率高、調速性能好等特點。而無位置傳感器無刷直流電機還可以減少外部干擾對電機的影響。

本文選擇ADuC7026作微處理器，無位置傳感器無刷直流電機作為驅動電機，介紹了Quad-rotor飛行器驅動系統的整體設計。本文主要解決無位置傳感器無刷直流電機的平穩快速起動以及電機轉子位置信號的準確獲取等問題。

無刷直流電機控制策略

電機起動方案

Quad-rotor飛行器需要螺旋槳高速旋轉產生升力，只考慮轉速精度即可，而不需考慮轉矩精度，因此，起動只要求平穩快速。對于反電勢過零檢測法，反電勢信號隨電機轉速增加而增加，在電機起動或低速運行時，反電勢信號不夠清晰，無法準確檢測，因此電機起動必須采用其他方法。

無刷直流電動機從結構上講，可以說是永磁式直流電動機，可以按他控式同步電動機方式起動。本文選擇簡單易行的三段式法外同步變頻方式起動，包括轉子預定位、加速起動和運行狀態切換三個階段。首先，要提供一個確定的功率開關電路導通狀態，并持續一段時間，使定子繞組產生合成磁勢吸引轉子，使之轉到一個確定的位置，這就完成了轉子的預定位。然后，按照功率開關管的觸發導通順序，依次導通，并且逐漸提高開關管的導通頻率，同時提高電機的端電壓，使電機的轉速逐漸提高，實現加速起動。最后，當電機轉到一定速度，反電勢信號足夠清晰時，就可以切換到正常的三相六狀態，即內同步狀態運行。

反電勢過零檢測法原理

無位置傳感器檢測電機轉子位置的方法主要有磁鏈計算法、反電勢過零檢測法、反電勢三次諧波積分法、續流二極管導通檢測方法、電感法以及狀態觀測器法等。反電勢過零檢測法是最常見最實用的方法。

兩相導通三相六拍運行方式的無刷直流電機，在任一時刻，電機三相中都只有兩相導通，每相的導通時間為120°。無刷直流電機的反電勢波形嚴格反映了無刷直流電機轉子磁極的位置，當無刷直流電機的某相繞組反電勢過零時，轉子直軸與該相繞組軸線恰好重合，因此只要檢測到各相繞組反電勢的過零點，就可以獲知轉子的若干個關鍵位置，再根據這些關鍵的轉子位置信號做相應的處理后，控制無刷直流電動機換相，實現無刷直流電機連續運轉 。

圖1給出了反電勢波形與逆變器功率管觸發順序邏輯關系。從反電勢的波形可知，無刷直流電機的三相繞組在一個電角度內有六個過零點，也有六個換相點，而且每個過零點都超前下個換相點30°電角度，只要檢測到六個過零點時刻，再延遲30°電角度即可得到相應的換相點時刻，據此可以確定電機轉子的位置和下次換流的時間，從而實現電機的連續運轉。

圖1 反電勢波形與逆變器功率管觸發順序邏輯關系

轉子位置檢測電路需準確檢測到反電勢信號的過零時刻，來保證無刷直流電機的正確換相。本文設計的轉子位置檢測電路如圖2所示，主要包括分壓網絡、低通濾波器、隔直、差分和比較等環節。無刷直流電機三相繞組線圈的中性點無法直接獲取，因此，要將端電壓信號經電阻分壓，得到虛擬中性點；無刷直流電機電子換相線路的控制換相信號經PWM高頻載波得到，在端電壓中必然存在一些高頻干擾，因此，電阻分壓后需經低通濾波環節濾除高頻干擾信號；再用電容隔除直流信號，此時獲得的信號包含一定的虛擬中性點電壓，用一個差分環節消除虛擬中性點的影響，最后經比較環節后送入微處理器，微處理器根據此信號，可以獲得反電勢信號的過零點，從而控制電機換相。

圖2 轉子位置檢測電路

驅動系統設計

硬件電路設計

本文采用Analog Devices的ADuC7026作微處理器，它是基于ARM7TDMI內核的控制器，有5種中斷模式，24個中斷源，集成了12通道12位的ADC（1MSPS），可用于電流檢測。它的串行接口包括UART、SPI和2個I2C，以及JTAG端口，便于程序的下載和調試；4個定時器，可滿足驅動系統程序定時要求；三相16位PWM發生器，對電子換相線路功率開關管控制方便、可靠。