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

多旋翼無人飛行器被大量使用在航拍等無人飛行領(lǐng)域。旋翼由電動機(jī)驅(qū)動，大多采用高功率密度的典型外轉(zhuǎn)子式無刷直流電動機(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)無刷電動機(jī)控制器設(shè)計的基礎(chǔ)上更具針對性。

本文設(shè)計了一款無位置傳感器的無刷直流外轉(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裝置，通過檢測電動機(jī)的相反電勢電壓，利用反電勢過零比較策略間接計算電動機(jī)旋轉(zhuǎn)換相的反饋信號。同時相比傳統(tǒng)單一控制器驅(qū)動電動機(jī)控制結(jié)構(gòu)而言，本設(shè)計將四旋翼四路電機(jī)驅(qū)動集成在同一個控制器上，更有利于控制器的小型化與多電動機(jī)協(xié)同控制，飛行體驗良好。

1 總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計架構(gòu)

本設(shè)計采取一個控制器驅(qū)動四路電動機(jī)的方案，電動機(jī)及控制器的連線架構(gòu)如圖1所示。一臺控制器根據(jù)總線控制指令，分別給四路電動機(jī)分配控制信號，驅(qū)動四路電動機(jī)帶動螺旋槳工作。

圖1 整體電動機(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。單路無刷電動機(jī)控制器將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電提供給電動機(jī)，硬件主要由主控模塊（控制芯片）、電源模塊、通信模塊、反電勢電壓采樣模塊以及電動機(jī)功率驅(qū)動模塊組成。

（1）主控模塊主要完成對控制系統(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；

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

（5）電動機(jī)功率驅(qū)動模塊實現(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。

本文采用無傳感器控制技術(shù)，反電勢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)計原理

本設(shè)計采取無位置傳感器反電勢檢測換相無刷直流電動機(jī)控制策略。要使電動機(jī)正確換相，必須測量電氣周期中的絕對位置。對于常規(guī)通電，每個電氣周期需要6次等距換相。通常通過3個霍爾傳感器或光學(xué)開關(guān)（轉(zhuǎn)子上要有相應(yīng)的圓盤）實現(xiàn)。圖3所示為3個傳感器的輸出信號和電動機(jī)三相分別對應(yīng)的反電動勢（Back EMF,BEMF）電壓波形。

圖3 反電勢波形和換相圖

通過圖3發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動機(jī)正常運(yùn)行后反電勢隨轉(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，如果正確檢測出反電勢的過零點，就可以將無刷直流電動機(jī)的無傳感器控制轉(zhuǎn)換為有位置的控制?？刂破鬏敵?路PWM信號驅(qū)動。如圖4所示，通過使用6個MOSFET，可以將三相繞組通過二二導(dǎo)通的方式驅(qū)動為高電平、低電平和不通電三種狀態(tài)。利用反電勢過零點確定的電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置按照圖3的通電順序，即可啟動無刷直流電動機(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是一組固定頻率的PWM信號。其中PWM信號的頻率范圍為50～400 Hz。通過對PWM信號高電平脈寬進(jìn)行控制，實現(xiàn)外部控制信號的傳輸。通信協(xié)議見表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“油門為0%”）代表電動機(jī)停轉(zhuǎn)，高電平2 ms（后文稱“油門為100%”）代表電動機(jī)滿轉(zhuǎn)運(yùn)行。調(diào)速步長為10 μs（代表1%油門）。控制器連續(xù)采集8個周期的高電平時間，進(jìn)行平均運(yùn)算后對電動機(jī)進(jìn)行控制，控制信號波形示意如圖5所示。

圖5 控制信號波形示意圖

2 控制器設(shè)計

2.1 主控模塊設(shè)計

主控單元可實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)處理、算法實現(xiàn)、控制輸出、對外通信等功能。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)計的最小系統(tǒng)，包括時鐘、程序下載、數(shù)據(jù)存儲等輔助電路，負(fù)責(zé)算法實現(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

本文設(shè)計了一種以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，開關(guān)頻率達(dá)500 kHz，轉(zhuǎn)換效率超90%，簡化了電源系統(tǒng)電路，如圖7所示。

圖7 輔助電源單元

2.3 驅(qū)動及功率模塊設(shè)計

驅(qū)動電路采用了以IR2102為核心的不隔離自舉典型電路，在電路設(shè)計上更簡潔，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，通過快恢復(fù)二極管對自舉電容充電；當(dāng)相輸出為高電平時，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，實現(xiàn)高端驅(qū)動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?，在功率電路上增加了雙電阻母線電流采樣，為過流保護(hù)提供信號采集功能。驅(qū)動及功率電路如圖8所示。

圖8 驅(qū)動及功率電路

2.4 采樣調(diào)理電路設(shè)計

反電勢電壓采樣電路通過串聯(lián)電阻分壓，電壓調(diào)理后送至主控芯片A/D采樣單元，通過軟件濾波處理后估算電動機(jī)過零換相點，如圖9所示。

圖9 反電勢采樣電路

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)理計算，通過差分放大電路有效抑制信號干擾，得到能夠直接傳送給主控芯片的電壓，進(jìn)行電流采樣、電流計算及功率限流。此外，該信號同時為硬件過流保護(hù)電路提供了信號輸入，在瞬時大電流場合非正常工況下對控制器提供保護(hù)，確?？刂破鞑粫霈F(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

本設(shè)計結(jié)合飛行器空間小的特點，將四路電機(jī)驅(qū)動集成在一塊印制板上，印制板設(shè)計成為四翼結(jié)構(gòu)形式，四翼邊布置4只電動機(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)動控制器效率：≥90%（額定工況下）；

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

3.2 測試工況

本次實驗按以下2種工況進(jìn)行測試：

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

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

實驗平臺如圖13所示。系統(tǒng)包括：直流穩(wěn)壓源、電流表、電調(diào)、BLDC樣機(jī)、溫度計和帶電流探頭的示波器。其中，溫度計用于檢測電調(diào)和BLDC樣機(jī)在工作過程中的溫升，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 實驗平臺

3.3 實驗數(shù)據(jù)

測試速度計算公式：

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

取2個測試點，測試波形分別如圖14、圖15所示。

圖14 51%油門相電流波形

圖15 71%油門相電流波形

4 結(jié) 語

本文論述了無刷電動機(jī)控制器采取無傳感器反電勢位置檢測控制策略。通過實驗測試，轉(zhuǎn)速和帶載性能符合設(shè)計指標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足四旋翼飛行器電動機(jī)控制器調(diào)速范圍寬、效率高、功率密度大等性能需求。