四軸飛行器無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
發(fā)布日期:2023-05-21
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四軸飛行器是近來在專業(yè)與非專業(yè)領(lǐng)域都非常火爆的技術(shù)產(chǎn)品。下面這篇文章針對(duì)四軸飛行器無位置傳感器無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)開發(fā)了三相六臂全橋驅(qū)動(dòng)電路及控制程序。設(shè)計(jì)采用ATMEGA16單片機(jī)作為控制核心，利用反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測輪流導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電路的6個(gè)MOSFET實(shí)現(xiàn)換向；直流無刷電機(jī)控制程序完成MOSFET上電自檢、電機(jī)啟動(dòng)軟件控制，PWM電機(jī)轉(zhuǎn)速控制以及電路保護(hù)功能。該設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低、電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
近年來，四軸飛行器的研究和應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，它采用四個(gè)無刷直流電機(jī)作為其動(dòng)力來源。無刷直流電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)。
無刷主流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方式主要分為有位置傳感器和無位置傳感器的控制方式兩種。由于在四軸飛行器中的要求無刷直流電機(jī)控制器要求體積小、重量輕、高效可靠，因而采用無位置傳感器的無刷直流電機(jī)。本文采用的是朗宇X2212 kv980無刷直流電機(jī)。
無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電路和系統(tǒng)程序控制兩部分。采用功率管的開關(guān)特性構(gòu)成三相全橋驅(qū)動(dòng)電路，之后使用DSP作為主控芯片，借助其強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)與控制，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，缺乏經(jīng)濟(jì)性。
直流無刷電機(jī)的換向采用反電勢(shì)過零檢測法，一旦檢測到第三相的反電勢(shì)過零點(diǎn)就為換向做準(zhǔn)備。反電勢(shì)過零檢測采用虛擬中性點(diǎn)的方法，通過檢測電機(jī)各相的反電勢(shì)過零點(diǎn)來判斷轉(zhuǎn)子位置。而基于電機(jī)三相繞組端電壓變化規(guī)律的電機(jī)電流換向理論，可以大大提高系統(tǒng)控制精度。
本文無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用三相六臂全橋電路，控制電路的管理控制芯片采用ATmega 16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，以充分發(fā)揮其高性能、資源豐富的特點(diǎn)，因而外圍電路結(jié)構(gòu)簡單。無刷直流電機(jī)采用軟件啟動(dòng)和PWM速度控制的方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行，大大提高四軸飛行器無刷直流電機(jī)的調(diào)速和控制性能。
1三相六臂全橋驅(qū)動(dòng)電路
無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖1所示。該電路采用三相六臂全橋驅(qū)動(dòng)方式，采用此方式可以減少電流波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使得電機(jī)輸出較大的轉(zhuǎn)矩。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分使用6個(gè)功率場效應(yīng)管控制輸出電壓，四軸飛行器中的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電源電壓為12 V.驅(qū)動(dòng)電路中，Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305（P溝道），Q4~Q6為IRFR1205（N溝道）。該場效應(yīng)管內(nèi)藏續(xù)流二極管，為場效應(yīng)管關(guān)斷時(shí)提供電流通路，以避免管子的反向擊穿，其典型特性參數(shù)見表1.T1~T3采用PDTC143ET為場效應(yīng)管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
表1 MOSFET管參數(shù)
由圖1可知，A1~A3提供三相全橋上橋臂柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并與ATMEGA16單片機(jī)的硬件PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)相接，通過改變PWM信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制；B1~B3提供下橋臂柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由單片機(jī)的I/O口直接提供，具有導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)。
圖1無刷直流電機(jī)三相六臂全橋驅(qū)動(dòng)電路
無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制采用三相六狀態(tài)控制策略，功率管具有六種觸發(fā)狀態(tài)，每次只有兩個(gè)管子導(dǎo)通，每60°電角度換向一次，若某一時(shí)刻AB相導(dǎo)通時(shí)，C相截至，無電流輸出。單片機(jī)根據(jù)檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，利用MOSFET的開關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的通電控制，例如，當(dāng)Q1、Q5打開時(shí)，AB相導(dǎo)通，此時(shí)電流流向?yàn)殡娫凑龢O→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負(fù)極。類似的，當(dāng)MOSFET打開順序分別為Q1Q5，Q1Q6，Q2Q6，Q2Q4，Q3Q4，Q3Q5時(shí)，只要在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確換向，就可實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
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