何　帥，裴信彪，宮　勛，徐東甫，白　越，續(xù)志軍

（1.中國科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 10039）

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

何帥1，2，裴信彪1，2，宮勛1，徐東甫1，2，白越1，續(xù)志軍1

（1.中國科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 10039）

為了提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠性，采用三相全控電橋H_PWM_ON_L_ON控制方式來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)方式分析三相反電動(dòng)勢(shì)端電壓與中性點(diǎn)的關(guān)系，采用功率MOSFET作為開關(guān)器件，采用三個(gè)IR2101芯片驅(qū)動(dòng)六個(gè)復(fù)合功率管實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)換相。采用該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無人機(jī)空載續(xù)航時(shí)間與采用常規(guī)H橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比提高了20%，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可在-25℃的條件下依然穩(wěn)定運(yùn)行，響應(yīng)速率提高10%。

無位置傳感器無刷直流電機(jī)；三相全控電橋；復(fù)合功率管；IR2101

導(dǎo)讀：無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)一直在軍事、國防等領(lǐng)域擁有重要地位。近年來，隨著商用無人機(jī)的蓬勃發(fā)展，無人機(jī)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用前景日趨廣闊。作為現(xiàn)代飛行控制、信息傳輸?shù)燃夹g(shù)的基礎(chǔ)，電子技術(shù)在無人機(jī)的發(fā)展中具有舉足輕重的意義。為了促進(jìn)無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)交流，推動(dòng)我國無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域電子技術(shù)的發(fā)展，本刊開展了“無人機(jī)系統(tǒng)電子技術(shù)”主題專欄征文活動(dòng)。特聘請(qǐng)北京航空航天大學(xué)向錦武教授為專欄特約主編。從收到的近百篇稿件中遴選出優(yōu)秀稿件10余篇，于第9期及第10期刊出。論文內(nèi)容涵蓋了無人機(jī)領(lǐng)域相關(guān)的多方面內(nèi)容，包括無人機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)、無人機(jī)通信、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、無人機(jī)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、導(dǎo)航與定位等。期望對(duì)從事無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域研究的讀者有所幫助。

特約主編：向錦武，飛行器設(shè)計(jì)專家?，F(xiàn)任北京航空航天大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、校學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任、無人機(jī)設(shè)計(jì)研究所所長(zhǎng)兼總設(shè)計(jì)師、“航空科學(xué)與技術(shù)”國家實(shí)驗(yàn)室（籌）首席科學(xué)家。同時(shí)兼任中國航空學(xué)會(huì)無人機(jī)及微型飛行器分會(huì)副主任、中國宇航學(xué)會(huì)無人飛行器分會(huì)常務(wù)理事、《無人機(jī)》編委會(huì)委員、《電子技術(shù)應(yīng)用》編委會(huì)委員。

0　引言

近年來，多旋翼無人機(jī)的研究和應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，大部分無人機(jī)均采用無位置傳感器無刷直流電機(jī)作為其動(dòng)力基礎(chǔ)。無感無刷直流電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)。無刷直流電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，可靠性差。無位置傳感器控制的直流電機(jī)適用場(chǎng)合廣，可靠性高，相對(duì)于有霍爾傳感器控制有較大優(yōu)勢(shì)。因此，現(xiàn)在多采用無位置傳感器控制。

無刷直流電動(dòng)機(jī)的無位置傳感器控制中，沒有傳感器直接檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置，但在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，仍然需要轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)換相。因此，如何獲得精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)并控制電機(jī)換相，成為無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制的關(guān)鍵。當(dāng)前轉(zhuǎn)子獲取方法主要有反電動(dòng)勢(shì)三次諧波積分檢測(cè)法、磁鏈估計(jì)法、續(xù)流二極管檢測(cè)法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法、反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)方法等。若使用DSP作為直流電機(jī)的主控芯片[1-2]，因?yàn)镈SP具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，所以電機(jī)可以快速并精準(zhǔn)的啟動(dòng)與控制，但其成本較高，電路結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜，并且低速位置存在檢測(cè)誤差。

本文提出了一種以反電勢(shì)過零檢測(cè)原理為基礎(chǔ)，采用三向六臂全控電橋驅(qū)動(dòng)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(qiáng)、低電壓低功耗的單片機(jī) C8051F500來實(shí)現(xiàn)，因此外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，可靠性高。并采取軟硬件結(jié)合啟動(dòng)與PWM速度控制方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]，大大提高多旋翼無人機(jī)無刷直流電機(jī)的調(diào)速與控制功能。

1　反電勢(shì)過零檢測(cè)

無位置傳感器無刷直流電機(jī)反電勢(shì)過零檢測(cè)法的基本原理為：電機(jī)定子繞組采用星形接法連接,檢測(cè)電樞繞組產(chǎn)生的梯形反電動(dòng)勢(shì)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(jìn)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(gè)功率管導(dǎo)通，每個(gè)60°電角度換相一次，然后通過檢測(cè)未導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，獲取轉(zhuǎn)子位置[5]。永磁無刷直流電機(jī)三相繞組等效電路如圖1所示。

圖1　三相繞組等效電路

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(shì)，un為定子繞組中性點(diǎn)對(duì)地電壓，P為微分算子。則三相繞組的平衡表達(dá)式為：

假定三相定子繞組完全對(duì)稱，故有：

兩邊同時(shí)乘以L，可以得到：

將式(2)代入式(3)可得：

由上式可得出：

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

兩相通電模式下，若 A相懸空，則 A相繞組中 ia=0，可由式(5)求出：

式(6)和式(7)消去中性點(diǎn)電壓得到 A相反電動(dòng)勢(shì)與各項(xiàng)端電壓的關(guān)系：因此，當(dāng)懸空相繞組端端電壓與中性點(diǎn)電壓進(jìn)行比較進(jìn)而獲取轉(zhuǎn)子繞組反電勢(shì)過零時(shí)刻。

圖2　轉(zhuǎn)子與反電勢(shì)關(guān)系

取電動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)，增加轉(zhuǎn)子位置在T0時(shí)刻的狀態(tài)，并細(xì)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(dòng)勢(shì)的相互關(guān)系。

在P1時(shí)刻，電流從A相繞組流入，C相繞組流出，此時(shí)線圈AA′受到一個(gè)逆時(shí)針方向的電磁力，同時(shí)轉(zhuǎn)子受到順時(shí)針方向的作用力。在同一時(shí)刻，CC′也會(huì)作用于轉(zhuǎn)子，使其受到順時(shí)針方向的作用力，并且由于B相繞組切割磁力線，產(chǎn)生負(fù)的反向電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)過30°電角度后在T0時(shí)刻，B相繞組運(yùn)動(dòng)方向與磁力線平行，反向電動(dòng)勢(shì)為零，產(chǎn)生過零信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)過30°電角度后到達(dá)P2時(shí)刻便是換相時(shí)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(shí)電動(dòng)機(jī)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(hào)，干擾換相的準(zhǔn)確性[6-7]。所以為了優(yōu)化換向系統(tǒng)我們采用延時(shí)換相，即延時(shí)避開繞組電感續(xù)流過程再檢測(cè)過零點(diǎn)。

為了優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用三相電橋取代原有的H橋，然后構(gòu)建升力測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的輸出通過TDS2014C示波器實(shí)時(shí)顯示，可測(cè)得相同占空比下通過H橋和三相電橋驅(qū)動(dòng)的旋翼產(chǎn)生的升力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(a)和3(b)所示。

圖3　旋翼升力曲線

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(dòng)的電機(jī)產(chǎn)生的升力是H橋升力的近兩倍。

2　直流電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

如圖4所示，無位置傳感器無刷電機(jī)可以分為4個(gè)模塊：直流電源模塊高效率DC-DC，控制模塊C8051F500單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)模塊 IR2101驅(qū)動(dòng)陣列，反電勢(shì)檢測(cè)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(qiáng)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(qiáng)、低電壓低功耗的 MCU，搭建通信迅速準(zhǔn)確、控制實(shí)時(shí)無誤的控制器。采用三組全控電橋驅(qū)動(dòng)方式，能夠高速地驅(qū)動(dòng)電機(jī)換向運(yùn)行。

圖4　直流電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

3　硬件系統(tǒng)優(yōu)化

3.1端電壓檢測(cè)電路優(yōu)化

端電壓檢測(cè)電路如圖5所示。作為整個(gè)硬件設(shè)計(jì)的核心，端電壓檢測(cè)電路將檢測(cè)到的三路反電勢(shì)延遲信號(hào)的過零點(diǎn)信號(hào)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(hào)的值，從而改變直流電機(jī)中的功率MOSFET管的兩兩導(dǎo)通順序，進(jìn)而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行并快速響應(yīng)。

圖5　端電壓檢測(cè)電路

3.2電源模塊優(yōu)化

本系統(tǒng)采用的主控是C8051F500單片機(jī)，它的工作電壓為3.3 V。驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供一個(gè)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(jì)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(jī)與IR2101使電源模塊得到優(yōu)化從而為整個(gè)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。

圖6　IR2101驅(qū)動(dòng)電路

3.3驅(qū)動(dòng)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(jī)直接輸出的PWM控制信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)功率管的通斷。要在MCU控制信號(hào)與功率電路之間加上驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)用三個(gè)IR2101替代原有的單個(gè) IR2136已達(dá)到優(yōu)化驅(qū)動(dòng)模塊的目的，采用三個(gè) IR2101后電路更簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)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(gè)P型MOSFET與三個(gè)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(duì)較慢，故為了優(yōu)化開關(guān)器件本系統(tǒng)采用6個(gè)PSMN5R5功率MOSFET管作為開關(guān)器件。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，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(gè)N型與三個(gè)P型結(jié)合的電橋。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示。

圖7　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：350 W 無刷無位置傳感器直流電機(jī)，1 GHz、5 GSA/s TDS2014C示波器，DFY儀表電源箱，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模塊，實(shí)體飛行器。

將原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與優(yōu)化后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別安裝到飛行器的兩個(gè)臂上，進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量與響應(yīng)速率測(cè)量。通過DSP主控同時(shí)對(duì)優(yōu)化前后的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入相同PWM信號(hào)，通過旋翼轉(zhuǎn)速變換的快慢可以測(cè)出響應(yīng)速率的相應(yīng)情況。

圖8為旋翼轉(zhuǎn)速對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，X軸是時(shí)間，Y軸是轉(zhuǎn)速，藍(lán)色曲線是原有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)旋翼轉(zhuǎn)速隨時(shí)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(shí)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8　旋翼轉(zhuǎn)速對(duì)比

圖9為給定轉(zhuǎn)速為 2 000 r/min時(shí)電機(jī)帶載的反向電動(dòng)勢(shì)波形圖，可以看出反向電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)附近有很好的單調(diào)性，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可以很好地避免誤過零現(xiàn)象。

圖9　實(shí)測(cè)反向電動(dòng)勢(shì)波形

直流電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)測(cè)直流電機(jī)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(jià)換相六次，為一個(gè)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(shí)刻與調(diào)制信號(hào)保持同步，而且六個(gè)扇區(qū)的時(shí)間間隔在每一個(gè)電周期都是均勻的。結(jié)合圖10(b)與圖10(c)表明驅(qū)動(dòng)電路板占空比與電周期成反比與轉(zhuǎn)速成正比，同時(shí)每個(gè)電周期內(nèi)六個(gè)扇區(qū)的時(shí)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(hào)。通過實(shí)際裝機(jī)證實(shí)本文所研究驅(qū)動(dòng)板可以驅(qū)動(dòng)無刷無感直流電機(jī)正常運(yùn)行，并且為無人機(jī)的飛行提供足夠動(dòng)力。

圖10　電動(dòng)機(jī)A相端電壓

5　結(jié)論

經(jīng)過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以六個(gè)N型MOSFET功率管為核心，基于三相全控電橋PWM控制的驅(qū)動(dòng)電路，直流電機(jī)的響應(yīng)速率提高了10%，提高了換相的準(zhǔn)確性，旋翼升力提高了50%，使電機(jī)的效率達(dá)到預(yù)期水平。驅(qū)動(dòng)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(jī)的實(shí)際應(yīng)用要求。

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Optimize driving system of direct current motor for multiple rotor unmanned aerial vehicle

He Shuai1，2，Pei Xinbiao1，2，Gong Xun1，Xu Dongfu1，2，Bai Yue1，Xu Zhijun1
(1.Changchun institute of optics，F(xiàn)ine mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China)

To enhance the driving system reliable.Thisarticle controlthe motorby three-phase fully-controlled bridge H_PWM_ON_L_ON.Use the principle of back electromotive force zero-crossing testing,the relationship between the floating phase terminal end voltage and midpoint voltage in DC link of three phases’back electromotive force was analyzed.Choice power MOSFET to be the switching devices.Use three IR2101 chip to drive six composite power for realizing the change of phase.The cruising time of unmanned aircraft that using this driving system extended 20%than the usual H-bridge system.This system can even running stable at-25℃.The response rate of this system enhance 10%.

brushless direct current motor；three-phase fully-controlled bridge；composite power tube；IR2101

TP273

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.001

國家自然科學(xué)基金（11372309；61304017）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（20150204074GX）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃（20150520111JH）；省院合作科技專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2014SYHZ0004）；中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（STS計(jì)劃）(KFJ-EW-STS-068)

2016-03-07)

何帥（1992-），男，碩士研究生，主要研究方向：伺服控制。

白越（1979-），通信作者，男，博士，副研究員，主要研究方向：飛行器動(dòng)力學(xué)與控制，E-mail：baiy@ciomp.ac.cn。

中文引用格式：何帥，裴信彪，宮勛，等.多旋翼無人機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(9)：2-5，9.

英文引用格式：He Shuai，Pei Xinbiao，Gong Xun，et al.Optimize driving system of direct current motor for multiple rotor unmanned aerial vehicle[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：2-5，9.