多旋翼無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化

成都信息工程大學(xué) 何建霖 李則辰

1.前言

無人機(jī)是一種具有獨(dú)立升力設(shè)備，可以在無需駕駛員操控的情況下完成自主飛行任務(wù)的飛行設(shè)備。結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)力利用效率高是無人機(jī)設(shè)備在軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域所表現(xiàn)出來的主要特點(diǎn)。根據(jù)多旋翼無人機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，這一設(shè)備對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有著較為嚴(yán)苛的要求?，F(xiàn)階段多旋翼無人機(jī)中所使用的直流電機(jī)為由霍爾位置傳感器控制的無刷直流電機(jī)和不受霍爾位置傳感器控制的無刷直流電機(jī)組成。反電動(dòng)勢三次諧波積分檢測法、磁鏈估計(jì)法和續(xù)流二極管檢測法等檢測方式是多旋翼無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)素所用的轉(zhuǎn)子獲取方法。

2.多旋翼無人機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理

微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，讓多旋翼無人機(jī)成為了飛行器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)在軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。無位置傳感器無刷直流電機(jī)是多旋翼無人機(jī)的動(dòng)力基礎(chǔ)。無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成、驅(qū)動(dòng)方法及無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是多旋翼無人機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理的主要影響因素。

2.1 無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)無人機(jī)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，多旋翼無人機(jī)可以分為商業(yè)多旋翼無人機(jī)，軍用多旋翼無人機(jī)等多種設(shè)備。與之相關(guān)的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含有控制中樞、驅(qū)動(dòng)部分及電源部分等多個(gè)部分。電機(jī)系統(tǒng)中的三項(xiàng)定子繞組、24對(duì)定子繞組和三相定子繞組可以與MOSFET功率開關(guān)期間相連接。三相繞組三角連接方式和三相繞組星型連接方式是定子繞組的主要連接方式。

2.2 無刷直流電機(jī)的控制方法

無刷直流電機(jī)在多旋翼無人機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中發(fā)揮著較為重要的作用。根據(jù)多旋翼無人技術(shù)的研究現(xiàn)狀，直流電機(jī)設(shè)備研究與無人機(jī)流場研究是飛行器研究領(lǐng)域所關(guān)注的兩大重要問題[1]。多旋翼無人機(jī)的流場研究可以為多旋翼無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同飛行的安全提供保障。對(duì)多旋翼無刷直流電機(jī)的控制方法進(jìn)行分析，可以為多旋翼無人機(jī)流場研究工作的開展提供一定的技術(shù)支持。在無刷直流電機(jī)的定子繞組與換相開關(guān)之間的連接方式存在差異性的情況下，人們可以將無數(shù)直流電機(jī)的控制方法分為以下內(nèi)容。一是三相全橋式控制方式；二是三相半橋式控制方式。其中前者的控制結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度要高于后者的相關(guān)結(jié)構(gòu)。三相Y連接全橋控制電路可以被看作是三項(xiàng)全橋控制方法的代表元素。單片微型計(jì)算機(jī)MCU微控單元也在多旋翼無人機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮著較為重要的作用。

2.3 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無刷直流電動(dòng)機(jī)中未安裝有用于檢測轉(zhuǎn)子位置的傳感器。轉(zhuǎn)子位置是電動(dòng)機(jī)換相主要影響因素。為了讓電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)階段獲取精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，反電動(dòng)勢三次諧波積分檢測法和磁鏈估計(jì)法等檢測方法在多旋翼無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。為避免檢測誤差的出現(xiàn)，人們在對(duì)反電勢過零檢測原理進(jìn)行應(yīng)用的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了三向六臂全控電橋驅(qū)動(dòng)電路。主控計(jì)算機(jī)、電機(jī)、控制模塊和1R2101驅(qū)動(dòng)陣列驅(qū)動(dòng)模塊是無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的中不可缺少的元件。

3.多旋翼無人機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的常見故障

根據(jù)多旋翼無人機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，多旋翼無人機(jī)的嵌入式自主飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題已經(jīng)得到了一些學(xué)者的關(guān)注[2]。無人機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在直流電機(jī)在多旋翼無人機(jī)自主飛行系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。與多旋翼無人機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)的系統(tǒng)故障涉及到了三相全控電橋短路故障及換相故障等多種故障形式。

3.1 三項(xiàng)全控電橋斷路故障

多旋翼無人機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三相全控電橋斷路故障與多旋翼無人機(jī)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷及系統(tǒng)中各個(gè)器件的工作環(huán)境之間有著較為密切的聯(lián)系。在多旋翼無人機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三相全控電橋所發(fā)出的調(diào)制信號(hào)可以被看作是電機(jī)相端電壓輸出波形的主要影響因素。三相全控電橋故障問題的出現(xiàn)，會(huì)讓電機(jī)的電壓端波形難以與調(diào)制信號(hào)保持一致性。如在三相全橋開關(guān)器件MOSFOT功率管出現(xiàn)故障以后，故障發(fā)生區(qū)域的端電壓會(huì)出現(xiàn)較為明顯的不規(guī)則變形。

3.2 換相故障

多旋翼無人機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的換相故障是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在未能獲取準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息的情況下所產(chǎn)生的故障形式。超前換相和滯后換相是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)換相故障的兩種表現(xiàn)形式。在換相故障產(chǎn)生以后，驅(qū)動(dòng)電路所散發(fā)的大量熱量會(huì)給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常工作環(huán)境帶來破壞，最終導(dǎo)致墜機(jī)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.3 MOSFET擊穿故障

在連接外接電源以后，不導(dǎo)通相所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢會(huì)在無刷直流電機(jī)電壓平衡方程式中發(fā)揮較為重要的作用。在第三項(xiàng)產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢見效益和，電樞繞組的電流的增加，會(huì)讓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率有所降低。在電樞繞組中的電流增加至幾百安培以后，MOSFET擊穿短路故障的出現(xiàn)，會(huì)嚴(yán)重影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全性和和可靠性。

4.多旋翼無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化措施

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，多旋翼無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)表現(xiàn)出了智能化、集成化的發(fā)展趨勢[3]。燃料電池、太陽能電池設(shè)備的應(yīng)用，已經(jīng)讓多旋翼無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間得到了增加，對(duì)多旋翼無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可以讓多旋翼無人機(jī)更好地在國防、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮自身的作用。

4.1 端電壓檢測電路的優(yōu)化措施

基于換相點(diǎn)的檢測方法反電勢檢測可以在三項(xiàng)六態(tài)控制的無刷直流電機(jī)中得到應(yīng)用。在氣隙磁場對(duì)電機(jī)繞組的影響忽略不計(jì)的情況喜愛，人們通過MCU控制MOSFET功率開關(guān)器件的方式實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的換相導(dǎo)通?，F(xiàn)階段電阻分壓法和利用傳感器直接檢測電機(jī)相繞組電壓的檢測方法是應(yīng)用于端電壓檢測的主要檢測方法。其中電阻分壓法具有著結(jié)構(gòu)簡單、易于操作的特點(diǎn)。為了讓端電壓檢測電路發(fā)揮出優(yōu)化端電壓檢測電路的作用，相關(guān)設(shè)計(jì)人員可以讓端電壓檢測電路所獲取的反電勢延遲信號(hào)過零點(diǎn)信號(hào)直接傳輸至MCU之中。此時(shí)MCU可以在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電角度為30°的情況下，通過I/O口發(fā)出的相應(yīng)控制，完成PWM信號(hào)占空比的調(diào)整，PWM信號(hào)占空比的調(diào)整也可以讓直流電機(jī)中的功率MOSFET管的導(dǎo)通順序得到改變，此時(shí)人們可以在對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上，為電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行及快速響應(yīng)提供保障。

通過對(duì)無刷直流電機(jī)繞組相輸出電壓進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，輸出電壓中不僅包含有相電壓，還含有大量的噪聲引號(hào)。這些噪聲信號(hào)會(huì)影響反電勢過零點(diǎn)信號(hào)檢測的檢測效率的精確度。在位置檢測輸出之前增加濾波電容的措施也可以發(fā)揮出過濾噪聲信號(hào)，優(yōu)化端電壓檢測電路的作用。

4.2 電源模塊的優(yōu)化措施

以某型號(hào)無人機(jī)為例，該設(shè)備的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主控設(shè)備為C8051F500單片機(jī)，這一單片機(jī)的工作電壓為3.3V.TI公司生產(chǎn)的IR2101驅(qū)動(dòng)模塊是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊的電壓為12V，其所提供的電源電壓為24V。針對(duì)電源故障問題對(duì)無人機(jī)設(shè)備正常運(yùn)行的影響，人們可以借助以下方式對(duì)電源模塊進(jìn)行優(yōu)化：一是借助電阻分壓法優(yōu)化電源模塊；二是直接利用低電壓輸出模塊；三是利用線性穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換芯片完成電源模塊的優(yōu)化。在電源模塊優(yōu)化方面，電阻分壓法存在著功耗過高的缺陷。電機(jī)設(shè)備在功耗過高的情況下所產(chǎn)生的大量熱量也會(huì)嚴(yán)重影響直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。建立在無人機(jī)直流電機(jī)電源開關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)之上的電源模塊的工作效率相對(duì)較高，但是這一設(shè)備也存在著抗干擾能力差和成本過高的問題，在無人機(jī)設(shè)備直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求數(shù)量相對(duì)較多的情況下，直接采用電源模塊的電源模塊優(yōu)化措施也并不具有可行性。線性穩(wěn)壓芯片是多旋翼無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化過程中常用的一種電源轉(zhuǎn)換芯片。這種芯片所需的外圍元器件的數(shù)量相對(duì)較少。在多旋翼無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之中，人們可以借助低電壓差線性穩(wěn)壓器為系統(tǒng)提供電源。這一電源模塊優(yōu)化技術(shù)具有著成本低，穩(wěn)壓功能強(qiáng)的特點(diǎn)，故而可以在多旋翼無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化過程中得到應(yīng)用。

4.3 驅(qū)動(dòng)模塊1R2101陣列的優(yōu)化

根據(jù)無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，MCU單片機(jī)所輸出的PWM信號(hào)并不具備驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管的通斷的能力。在MCU控制信號(hào)與功率電路之間增加驅(qū)動(dòng)電路的措施是對(duì)無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的有效措施。如果無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之中應(yīng)用有三項(xiàng)全控電橋，相關(guān)人員可以在系統(tǒng)之中添加三種帶有電壓分所功能的IR2101芯片。以IR公司生產(chǎn)的IR2101功率管芯片為例，該芯片的輸出電流在100-210mA之間，每一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片可以在兩個(gè)不同的MOSFOT功率管的開斷過程中得到應(yīng)用。這種芯片所具有的外圍電路簡單化特點(diǎn)，可以讓邏輯電路對(duì)功率器件的要求得到有效降低。

4.4 功率管的優(yōu)化措施

無人機(jī)直流電機(jī)系統(tǒng)功率管優(yōu)化涉及到了源漏極電壓、柵漏極電壓等多種因素。以MOSFET管為開關(guān)器件的優(yōu)化方案可以讓開關(guān)器件的響應(yīng)速率得到提升。為避免驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)電壓不足問題，人們可以在無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用6種MOSFET管。

5.結(jié)論

無人機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在直流電機(jī)在多旋翼無人機(jī)自主飛行系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。對(duì)端電壓檢測電路、電源模塊和驅(qū)動(dòng)模塊1R2101陣列進(jìn)行優(yōu)化，以讓多旋翼無人機(jī)更好地在國防、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮自身的作用。

[1]沈奧,周樹道,王敏,彭舒齡,任尚書.多旋翼無人機(jī)流場仿真分析[J/OL].飛行力學(xué):1-5.

[2]朱球輝.多旋翼無人機(jī)的嵌入式自主飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究[J].電子測試,2017(04):17-18.

[3]代君,管宇峰,任淑紅.多旋翼無人機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢探討[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,32(16):22-24.