摘 要：為了實(shí)現(xiàn)小型無(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)螺旋槳的可靠驅(qū)動(dòng)，以ADuC7060 微控制器為核心，采用反電勢(shì)法設(shè)計(jì)了一種無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。利用mosFET 作為開(kāi)關(guān)器件，給出了橋式逆變電路和位置檢測(cè)電路的原理圖。針對(duì)螺旋槳負(fù)載的特點(diǎn)，利用MATLAB 優(yōu)化了三段式起動(dòng)方法的起動(dòng)加速曲線，并對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路中濾波電容產(chǎn)生的相移進(jìn)行了補(bǔ)償。通過(guò)調(diào)試表明，無(wú)刷直流電機(jī)能夠帶載可靠起動(dòng)，并通過(guò)PWM 平穩(wěn)調(diào)速，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。
1. 引言
傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是一種集固定翼飛機(jī)和直升機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一身的新型飛行器。通過(guò)傾轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)螺旋槳的傾轉(zhuǎn)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可以實(shí)現(xiàn)垂直起降和水平飛行兩種模式的切換，因此與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、載重量大、可垂直起降等優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來(lái)對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的研究已經(jīng)成為航空領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始試制小型樣機(jī)，并對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析[2]。本文在制作了小型無(wú)人傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)需求，選用運(yùn)行可靠、電磁噪聲小的無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并采用ADuC7060 單片機(jī)為控制芯片，對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
2. 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，分為垂直起降模式和水平飛行模式。系統(tǒng)采用ADXRS612 陀螺儀和ADIS16210 加速度計(jì)作為傳感器，為控制器提供位置姿態(tài)信號(hào)，在負(fù)反饋機(jī)制作用下，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)。以垂直起降模式為例，當(dāng)兩傾轉(zhuǎn)軸同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)俯仰姿態(tài)的調(diào)節(jié);當(dāng)兩傾轉(zhuǎn)軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)為機(jī)體提供一個(gè)扭矩，實(shí)現(xiàn)偏航姿態(tài)的調(diào)節(jié);而當(dāng)左右兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速差動(dòng)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的調(diào)節(jié)?？梢?jiàn)，無(wú)刷直流電機(jī)的平穩(wěn)調(diào)速對(duì)旋翼機(jī)系統(tǒng)至關(guān)重要。
3. 無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)策略
本設(shè)計(jì)中采用反電勢(shì)法無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)策略。反電勢(shì)法不需要借助位置傳感器，僅通過(guò)檢測(cè)反電勢(shì)信號(hào)就可以判斷轉(zhuǎn)子位置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[3,4]。如圖2 所示，為A 相繞組的反電勢(shì)在一個(gè)電周期內(nèi)的波形，其中橫軸代表當(dāng)前運(yùn)行時(shí)刻的電角度，縱軸代表A 相繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)Ea。從圖中可以看出，當(dāng)檢測(cè)到反電勢(shì)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)后，延遲30°電角度即是換相點(diǎn)。對(duì)于三相繞組電機(jī)，每隔60°電角度就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零點(diǎn)信號(hào)被ADuC7060 微控制器檢測(cè)并處理后，就可以產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
4. 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用電壓為12 V 的模型動(dòng)力電池供電。硬件連接框圖如圖3 所示，ADuC7060 微控制器通過(guò)I2C接口接收來(lái)自主控制器發(fā)送的控制信號(hào)，根據(jù)轉(zhuǎn)速要求改變PWM 占空比，并實(shí)時(shí)檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)橋式逆變電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速。為了保證運(yùn)行安全，系統(tǒng)中還利用采樣電阻設(shè)計(jì)了欠壓/過(guò)流檢測(cè)電路，以便在電池欠壓和電機(jī)堵轉(zhuǎn)過(guò)流時(shí)為系統(tǒng)提供保護(hù)。下面將對(duì)主要單元電路分別進(jìn)行介紹。
4.1 微控制器的選擇
本設(shè)計(jì)中微控制器采用的是ADI 公司生產(chǎn)的ADuC7060 單片機(jī)。ADuC7060 采用ARM7TDMI 內(nèi)核，其內(nèi)部集成了一個(gè)三相PWM 接口，16 個(gè)通用I/O 端口，兩個(gè)獨(dú)立的多通道24 位Σ-ΔADC，以及通用定時(shí)器和I2C 串行接口等資源，性能十分優(yōu)越。當(dāng)工作在10.24 MHz 時(shí)，其功耗一般僅為25 mW，滿(mǎn)足模型機(jī)系統(tǒng)對(duì)低功耗的要求。
4.2 三相橋式驅(qū)動(dòng)電路
在本系統(tǒng)中，逆變電路為三相橋式結(jié)構(gòu)，采用上橋臂單邊PWM 控制。如圖4 所示，圖中V1~V6 為功率MOSFET，上橋臂選用型號(hào)為IRFR5305 的P 溝道功率MOSFET，當(dāng)PWM 輸出高電平時(shí)導(dǎo)通;下橋臂選用型號(hào)為IRFR1205 的N溝道功率MOSFET，當(dāng)I/O 端口輸出低電平時(shí)導(dǎo)通。在每個(gè)功率MOSFET 的前端都放置了一個(gè)三極管，目的是提高微控制器端口的驅(qū)動(dòng)能力，保證MOSFET 的可靠開(kāi)關(guān)。在一個(gè)電周期內(nèi)， 控制導(dǎo)通相序?yàn)锳B→AC→BC→BA→CA→CB，即可使電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
4.3 反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路
反電勢(shì)檢測(cè)電路如圖5 所示，UA、 UB 和 UC 與電機(jī)繞組引出端連接，經(jīng)過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)后得到分壓點(diǎn)CMPA、CMPB 和 CMPC，圖中電容起濾波作用。同時(shí)圖中電阻構(gòu)成了一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)，電路中NULL 點(diǎn)可以用來(lái)虛擬中性點(diǎn)。這樣只要利用比較器成對(duì)比較分壓點(diǎn)與虛擬中性點(diǎn)電壓，即可檢測(cè)反電勢(shì)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)。
5. 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件流程如圖6 所示，主要分為起動(dòng)和調(diào)速兩部分。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速與螺旋槳升力之間難以建立精確關(guān)系[5]，所以設(shè)計(jì)中不對(duì)電機(jī)本身單獨(dú)進(jìn)行閉環(huán)控制，而是根據(jù)陀螺儀提供的反饋信號(hào)，對(duì)旋翼機(jī)整體進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng)旋翼機(jī)控制器發(fā)出速度信號(hào)后，由ADuC7060 微控制器I2C 總線接收。如果速度信號(hào)從零開(kāi)始增大，則需要進(jìn)行起動(dòng)，否則跳過(guò)起動(dòng)程序，直接根據(jù)速度信號(hào)改變PWM 的占空比，調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速。
5.1 無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)
反電勢(shì)信號(hào)在電機(jī)靜止或低速時(shí)難以檢測(cè)，因而電機(jī)起動(dòng)時(shí)無(wú)法利用反電勢(shì)信號(hào)自主換相。本文采用“三段式起動(dòng)”法進(jìn)行起動(dòng)設(shè)計(jì)，它分為預(yù)定位、外同步加速、運(yùn)行狀態(tài)切換三個(gè)階段[6]。首先給任意兩相繞組通電一段時(shí)間，使轉(zhuǎn)子定位到已知的位置，然后利用微控制器產(chǎn)生頻率逐漸提高的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電機(jī)以類(lèi)似步進(jìn)電機(jī)的方式加速，待轉(zhuǎn)速達(dá)到可以產(chǎn)生清晰的反電勢(shì)信號(hào)后再切換到自同步運(yùn)行狀態(tài)。“三段式起動(dòng)”法的關(guān)鍵是保證外同步加速和切換時(shí)不產(chǎn)生失步。針對(duì)外同步加速過(guò)程，通常采用升壓升頻加速或恒壓升頻加速方式。升壓升頻方式需兼顧PWM 占空比及換相時(shí)間間隔與換相次數(shù)的關(guān)系，對(duì)于螺旋槳這類(lèi)變轉(zhuǎn)矩負(fù)載較難進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用恒壓升頻方式設(shè)計(jì)了一種針對(duì)螺旋槳負(fù)載的加速曲線?？紤]到對(duì)于電機(jī)系統(tǒng)有：
式中J 是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;θ 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的電角度;Tem 為電磁轉(zhuǎn)矩(與電樞電流成正比);T0 為空載阻轉(zhuǎn)矩;TL 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。在加速階段，一方面由于螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL 隨轉(zhuǎn)速升高而增加;另一方面隨著轉(zhuǎn)速增加反電勢(shì)也增加，導(dǎo)致電樞電流降低引起Tem 減小，所以加速過(guò)程中應(yīng)保證角加速度減小，才能使式(1)平衡。本設(shè)計(jì)中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)調(diào)試，利用MATLAB擬合了一條冪函數(shù)加速曲線，如圖7 所示，其中橫軸代表?yè)Q相次數(shù)N(由于每次換相轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，故N正比于θ )，縱軸為換相時(shí)間間隔Δt 。
下面簡(jiǎn)單介紹一下擬合方法，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，選取三個(gè)待擬合的點(diǎn)。根據(jù)這三個(gè)點(diǎn)的特點(diǎn)，不妨分別稱(chēng)它們?yōu)槠鹗键c(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)和切換點(diǎn)，其中從起始點(diǎn)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間要求快速加速，保證起動(dòng)速度;在轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后曲線應(yīng)平緩，減小波動(dòng)以便于平穩(wěn)切換到自同步運(yùn)行，切換點(diǎn)的選取應(yīng)以能產(chǎn)生清晰的反電勢(shì)信號(hào)為準(zhǔn)。根據(jù)調(diào)試實(shí)驗(yàn)，固定PWM 占空比為15%，選取起始點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)和切換點(diǎn)坐標(biāo)分別為(0，20)、(100，7.3)及(200，6)，括號(hào)中第一個(gè)元為換相次數(shù)N，單位為次;第二個(gè)元為換相時(shí)間間隔Δt ，單位為毫秒。擬合的冪函數(shù)曲線表達(dá)式如式(2)所示。
5.2 電容滯后換相的補(bǔ)償
由于反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路中存在濾波電容，這會(huì)導(dǎo)致自同步運(yùn)行階段檢測(cè)到的位置信號(hào)滯后于實(shí)際位置信號(hào)。為確保電機(jī)準(zhǔn)確換相，需計(jì)算出滯后時(shí)間并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。由反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路可得：
6. 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與分析
實(shí)驗(yàn)電機(jī)采用XXD2212 型外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)，其額定電壓為12 V，最高空載轉(zhuǎn)速為12000 r/min。螺旋槳采用GF1045 高速槳。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，電機(jī)可以成功帶載起動(dòng)。圖8 是調(diào)節(jié)PWM 占空比為30%時(shí)，用RIGOL DS5202 型示波器測(cè)量的實(shí)驗(yàn)波形，其中通道1為A 相端電壓波形，通道2 為A 相對(duì)應(yīng)的比較器輸出波形，可見(jiàn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，調(diào)速性能良好。從圖中也可以看出，比較器提供的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)略滯后于實(shí)際信號(hào)，驗(yàn)證了相位補(bǔ)償?shù)谋匾浴?/p>
7. 結(jié)束語(yǔ)
本文采用反電勢(shì)法設(shè)計(jì)了小型傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，完成了硬件電路以及軟件的設(shè)計(jì)調(diào)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電機(jī)起動(dòng)加速曲線進(jìn)行了擬合，并補(bǔ)償了濾波電容引起的相位滯后。調(diào)試結(jié)果表明，在負(fù)載為GF1045 螺旋槳條件下，該驅(qū)動(dòng)器能驅(qū)動(dòng)XXD2212 型無(wú)刷直流電機(jī)可靠起動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速，滿(mǎn)足旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)要求。
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作者簡(jiǎn)介：
王巖，男，1988 年生，碩士研究生，主要研究方向：飛行器
控制
翟琨，女，1989 年生，碩士研究生，主要研究方向：電力電
子與電力傳動(dòng)
葛文哲，男，1989 年生，碩士研究生，主要研究方向：電力
電子與電力傳動(dòng)
羅晶，男，1963 年生，博士，副教授，主要研究方向：機(jī)電
控制，檢測(cè)技術(shù)
陳平，女，1963 年生，博士，副教
