四翼螺旋飛行器電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)

周 峰，蔣 偉，王千龍

（1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

多旋翼無(wú)人飛行器被大量使用在航拍等無(wú)人飛行領(lǐng)域。旋翼由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，大多采用高功率密度的典型外轉(zhuǎn)子式無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，電機(jī)控制器應(yīng)滿足體積小、功率密度高、高可靠、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等要求，因此控制器在常規(guī)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上更具針對(duì)性。

本文設(shè)計(jì)了一款無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流外轉(zhuǎn)子電機(jī)控制器，相比有位置傳感器控制器的區(qū)別在于取消了位置檢測(cè)裝置，通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的相反電勢(shì)電壓，利用反電勢(shì)過(guò)零比較策略間接計(jì)算電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)換相的反饋信號(hào)。同時(shí)相比傳統(tǒng)單一控制器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制結(jié)構(gòu)而言，本設(shè)計(jì)將四旋翼四路電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成在同一個(gè)控制器上，更有利于控制器的小型化與多電動(dòng)機(jī)協(xié)同控制，飛行體驗(yàn)良好。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

本設(shè)計(jì)采取一個(gè)控制器驅(qū)動(dòng)四路電動(dòng)機(jī)的方案，電動(dòng)機(jī)及控制器的連線架構(gòu)如圖1所示。一臺(tái)控制器根據(jù)總線控制指令，分別給四路電動(dòng)機(jī)分配控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)四路電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳工作。

圖1 整體電動(dòng)機(jī)及控制器架構(gòu)示意圖

控制器由四路控制單元組成，四路控制單元共用功率濾波電路模塊、通信模塊。單路無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電提供給電動(dòng)機(jī)，硬件主要由主控模塊（控制芯片）、電源模塊、通信模塊、反電勢(shì)電壓采樣模塊以及電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊組成。

（1）主控模塊主要完成對(duì)控制系統(tǒng)的邏輯控制；

（2）電源模塊主要為不同電路供電；

（3）采樣模塊采取所需的各路傳感器信號(hào)；

（4）通信模塊完成總控系統(tǒng)的命令并實(shí)時(shí)上傳電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；

（5）電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)直流電壓到電機(jī)運(yùn)行所需的交流變頻電壓的轉(zhuǎn)換。

本文采用無(wú)傳感器控制技術(shù)，反電勢(shì)電壓采樣單元采用電阻分壓采樣，有利于節(jié)約成本，提高產(chǎn)品可靠性。單路控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單路控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)采取無(wú)位置傳感器反電勢(shì)檢測(cè)換相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制策略。要使電動(dòng)機(jī)正確換相，必須測(cè)量電氣周期中的絕對(duì)位置。對(duì)于常規(guī)通電，每個(gè)電氣周期需要6次等距換相。通常通過(guò)3個(gè)霍爾傳感器或光學(xué)開(kāi)關(guān)（轉(zhuǎn)子上要有相應(yīng)的圓盤(pán)）實(shí)現(xiàn)。圖3所示為3個(gè)傳感器的輸出信號(hào)和電動(dòng)機(jī)三相分別對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)（Back EMF,BEMF）電壓波形。

圖3 反電勢(shì)波形和換相圖

通過(guò)圖3發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行后反電勢(shì)隨轉(zhuǎn)子位置變化而發(fā)生變化，且在電周期中具有唯一的位置。因此，如果正確檢測(cè)出反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，就可以將無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)傳感器控制轉(zhuǎn)換為有位置的控制。控制器輸出6路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。如圖4所示，通過(guò)使用6個(gè)MOSFET，可以將三相繞組通過(guò)二二導(dǎo)通的方式驅(qū)動(dòng)為高電平、低電平和不通電三種狀態(tài)。利用反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)確定的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置按照?qǐng)D3的通電順序，即可啟動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。

圖4 功率變換電路

1.3 通信方式選擇

控制器接收的通信信號(hào)是一組固定頻率的PWM信號(hào)。其中PWM信號(hào)的頻率范圍為50～400 Hz。通過(guò)對(duì)PWM信號(hào)高電平脈寬進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)外部控制信號(hào)的傳輸。通信協(xié)議見(jiàn)表1所列。

表1 通信協(xié)議

控制器通信采用電子調(diào)速器常用的脈寬調(diào)整方式，控制信號(hào)的輸入頻率為400 Hz，周期為2.5 ms，輸入波形如圖5所示。其中高電平1 ms（后文稱“油門(mén)為0%”）代表電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，高電平2 ms（后文稱“油門(mén)為100%”）代表電動(dòng)機(jī)滿轉(zhuǎn)運(yùn)行。調(diào)速步長(zhǎng)為10 μs（代表1%油門(mén)）?？刂破鬟B續(xù)采集8個(gè)周期的高電平時(shí)間，進(jìn)行平均運(yùn)算后對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，控制信號(hào)波形示意如圖5所示。

圖5 控制信號(hào)波形示意圖

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控單元可實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、算法實(shí)現(xiàn)、控制輸出、對(duì)外通信等功能。由于該部分為低壓電路，因此要求與功率電路做到有效的電氣隔離，以免受到干擾，影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。主控單元電路如圖6所示。

圖6 最小控制芯片單元電路

主控單元電路是基于Microchip公司DSPIC30F4011芯片設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)，包括時(shí)鐘、程序下載、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等輔助電路，負(fù)責(zé)算法實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)處理，是系統(tǒng)的控制核心。

2.2 輔助電源設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種以LM22675為主芯片的BUCK降壓型不隔離電源電路，將控制電壓+15 V轉(zhuǎn)換為兩路+5 V電源，為數(shù)字電路與模擬電路供電。該電路具備較高的轉(zhuǎn)換效率，開(kāi)關(guān)頻率達(dá)500 kHz，轉(zhuǎn)換效率超90%，簡(jiǎn)化了電源系統(tǒng)電路，如圖7所示。

圖7 輔助電源單元

2.3 驅(qū)動(dòng)及功率模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路采用了以IR2102為核心的不隔離自舉典型電路，在電路設(shè)計(jì)上更簡(jiǎn)潔，產(chǎn)品的體積更小，成本更低?？旎謴?fù)二極管（D、D、D）和電容（C、C、C）及驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部電路組成了自舉升壓電路，當(dāng)相輸出為低電平時(shí)，通過(guò)快恢復(fù)二極管對(duì)自舉電容充電；當(dāng)相輸出為高電平時(shí)，自舉電容的負(fù)端被強(qiáng)行拉高，快恢復(fù)二極管控制電流流向，實(shí)現(xiàn)高端驅(qū)動(dòng)電壓的自舉升壓功能。

功率模塊是采用6只單管MOSFET構(gòu)成的三相逆變?nèi)珮螂娐罚诠β孰娐飞显黾恿穗p電阻母線電流采樣，為過(guò)流保護(hù)提供信號(hào)采集功能。驅(qū)動(dòng)及功率電路如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)及功率電路

2.4 采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì)

反電勢(shì)電壓采樣電路通過(guò)串聯(lián)電阻分壓，電壓調(diào)理后送至主控芯片A/D采樣單元，通過(guò)軟件濾波處理后估算電動(dòng)機(jī)過(guò)零換相點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 反電勢(shì)采樣電路

電流采樣電路將母線功率采樣電阻兩端的電壓值分別進(jìn)行調(diào)理計(jì)算，通過(guò)差分放大電路有效抑制信號(hào)干擾，得到能夠直接傳送給主控芯片的電壓，進(jìn)行電流采樣、電流計(jì)算及功率限流。此外，該信號(hào)同時(shí)為硬件過(guò)流保護(hù)電路提供了信號(hào)輸入，在瞬時(shí)大電流場(chǎng)合非正常工況下對(duì)控制器提供保護(hù)，確?？刂破鞑粫?huì)出現(xiàn)燒毀等情況，電路如圖10所示。

圖10 溫度及電流采樣電路

2.5 印制板設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)結(jié)合飛行器空間小的特點(diǎn)，將四路電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成在一塊印制板上，印制板設(shè)計(jì)成為四翼結(jié)構(gòu)形式，四翼邊布置4只電動(dòng)機(jī)所需功率三相全橋貼裝MOSFET，印制板中部放置公用直流母線支撐DC-Link電容組合，如圖11所示。采取四層印制板布線形式，中間二層分別是電源層與地線層，頂層與底層為信號(hào)層，采取分割地線層與電源層的布線方式，最大限度降低電磁干擾，印制板如圖12所示。

圖11 器件布局示意

圖12 地線層分割示意

3 性能測(cè)試

3.1 主要性能指標(biāo)

控制器的功率供電電壓范圍：19～25 V，控制供電電壓：DC 15 V；

控制調(diào)速范圍：1 000～5 000 r/m，連續(xù)可調(diào)；

驅(qū)動(dòng)控制器效率：≥90%（額定工況下）；

工作制式：額定工作時(shí)間2 h，峰值工作時(shí)間30 min，具體需根據(jù)整機(jī)電池容量確定。

3.2 測(cè)試工況

本次實(shí)驗(yàn)按以下2種工況進(jìn)行測(cè)試：

（1）電源電壓為22.2 V，遙控器在51%油門(mén)且電動(dòng)機(jī)帶折疊漿的工作情況下，記錄此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和電流A；

（2）電源電壓為22.2 V，遙控器在71%油門(mén)且電動(dòng)機(jī)帶折疊漿的工作情況下，記錄此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和電流A。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示。系統(tǒng)包括：直流穩(wěn)壓源、電流表、電調(diào)、BLDC樣機(jī)、溫度計(jì)和帶電流探頭的示波器。其中，溫度計(jì)用于檢測(cè)電調(diào)和BLDC樣機(jī)在工作過(guò)程中的溫升，示波器用于采集BLDC樣機(jī)三相線中任意一相的電流波形，便于得到當(dāng)前BLDC樣機(jī)的工作速度。

圖13 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

測(cè)試速度計(jì)算公式：

式中：n為轉(zhuǎn)速，單位為r/min；60指60 s；1 000指1 000 ms；12指樣本電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；T為一相電周期的時(shí)間，單位為ms。

取2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試波形分別如圖14、圖15所示。

圖14 51%油門(mén)相電流波形

圖15 71%油門(mén)相電流波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文論述了無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器采取無(wú)傳感器反電勢(shì)位置檢測(cè)控制策略。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，轉(zhuǎn)速和帶載性能符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足四旋翼飛行器電動(dòng)機(jī)控制器調(diào)速范圍寬、效率高、功率密度大等性能需求。