基于單片機的無位置傳感器無刷直流電機驅(qū)動控制設(shè)計

基于單片機的無位置傳感器無刷直流電機驅(qū)動控制設(shè)計

近年來，四軸飛機的研究和應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增多。這四個無刷直流電機被用作動力來源。無刷直流電機為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),直接驅(qū)動螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)。無刷主流電機的驅(qū)動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。本文采用的是朗宇X2212kv980無刷直流電機。無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)包括驅(qū)動電路和系統(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)動電路,文獻使用DSP作為主控芯片,借助其強大的運算處理能力,實現(xiàn)電機的啟動與控制,但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高,缺乏經(jīng)濟性。直流無刷電機的換向采用反電勢過零檢測法,一旦檢測到第三相的反電勢過零點就為換向做準備。反電勢過零檢測采用虛擬中性點的方法,通過檢測電機各相的反電勢過零點來判斷轉(zhuǎn)子位置。而基于電機三相繞組端電壓變化規(guī)律的電機電流換向理論,可以大大提高系統(tǒng)控制精度。本文無刷直流電機的驅(qū)動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ATmega16單片機實現(xiàn),以充分發(fā)揮其高性能、資源豐富的特點,因而外圍電路結(jié)構(gòu)簡單。無刷直流電機采用軟件啟動和PWM速度控制的方式,實現(xiàn)電機的啟動和穩(wěn)定運行,大大提高四軸飛行器無刷直流電機的調(diào)速和控制性能。1電機轉(zhuǎn)速控制無刷直流電機驅(qū)動控制電路如圖1所示。該電路采用三相六臂全橋驅(qū)動方式,采用此方式可以減少電流波動和轉(zhuǎn)矩脈動,使得電機輸出較大的轉(zhuǎn)矩。在電機驅(qū)動部分使用6個功率場效應(yīng)管控制輸出電壓,四軸飛行器中的直流無刷電機驅(qū)動電路電源電壓為12V。驅(qū)動電路中,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。13采用為場效應(yīng)管提供驅(qū)動信號。由圖1可知,A1~A3提供三相全橋上橋臂柵極驅(qū)動信號,并與ATMEGA16單片機的硬件PWM驅(qū)動信號相接,通過改變PWM信號的占空比來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制;B1~B3提供下橋臂柵極驅(qū)動信號,由單片機的I/O口直接提供,具有導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)。無刷直流電機驅(qū)動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),每次只有兩個管子導(dǎo)通,每60°電角度換向一次,若某一時刻AB相導(dǎo)通時,C相截至,無電流輸出。單片機根據(jù)檢測到的電機轉(zhuǎn)子位置,利用MOSFET的開關(guān)特性,實現(xiàn)電機的通電控制,例如,當Q1、Q5打開時,AB相導(dǎo)通,此時電流流向為電源正極→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負極。類似的,當MOSFET打開順序分別為Q1Q5,Q1Q6,Q2Q6,Q2Q4,Q3Q4,Q3Q5時,只要在合適的時機進行準確換向,就可實現(xiàn)無刷直流電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)。2無刷直流電機的電機啟動保護無刷直流電機能夠正常連續(xù)運轉(zhuǎn),就要對轉(zhuǎn)子位置進行檢測,從而實現(xiàn)準確換向。電機轉(zhuǎn)子位置檢測方式主要有光電編碼盤、霍爾傳感器、無感測量三種方式。由于四軸飛行器無刷直流電機要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕,因而采用無位置傳感器的方式,利用第三相產(chǎn)生的感生電動勢過零點時刻延遲換向。雖然該方法在電機啟動時比較麻煩,可控性差,但由于電路簡單、成本低,因而適合于在正常飛行過程中不需要頻繁啟動的四軸飛行器電機。由于無刷直流電機的兩相導(dǎo)通模式,因而可以利用不導(dǎo)通的第三相檢測反電勢的大小。如圖2反電勢檢測電路,中性點N與單片機的AIN0相接,Ain,Bin,Cin分別接單片機的ADC0,ADC1,ADC2。不停地比較中性點N電壓與A,B,C三相三個端點電壓的大小,以檢測出每相感生電動勢的過零點。ATMEGA16單片機模擬比較器的正向輸入端為AIN0,負向輸入端根據(jù)ADMUX寄存器的配置而選擇ADC0,ADC1,ADC2,從而利用了單片機自帶的模擬比較器的復(fù)用功能。當A,B相通電期間,C相反電勢與中性點N進行比較,類似的,就可以成功檢測出各相的過零事件。電機的反電勢檢測出來后,就可以找到反電勢的過零點,在反電勢過零后延遲30°電角度進行換向操作。3控制方案的輸入3.1電機啟動控制及電壓電流監(jiān)測功能無刷直流電機驅(qū)動控制部分包括MOSFET自檢、電機啟動控制和電壓電流監(jiān)測功能3部分。驅(qū)動控制電路的上電自檢流程如圖3所示,包括MOSFET短路特性與導(dǎo)通特性測試、以防止過流損壞電路。3.2軟件啟動的方法反電勢檢測法只有在電機正常運轉(zhuǎn)后才能進行,當電機不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速很低時,其反電勢無法檢測,因而采用軟件啟動的方式。針對無位置傳感器無刷直流電機的控制,本文采用三步啟動的方法,首先,給A,B相通電一段時間以固定電機轉(zhuǎn)子位置;六狀態(tài)輪流換向,通電時間逐步減少;檢測第三相的反電勢,若正常則啟動成功,否則重新啟動。具體的啟動流程如圖4所示。3.3電壓降壓機及電流檢測功能電路四軸飛行器的系統(tǒng)保護功能包括電壓、電流監(jiān)測功能。電池電壓監(jiān)測功能電路:通過簡單的分壓電路將電池電壓降到單片機A/D轉(zhuǎn)換允許的輸入范圍內(nèi)(0~5V),通過電壓監(jiān)測防止電壓不足時電機停轉(zhuǎn);電流檢測功能電路:通過0.01Ω電阻采樣電流,轉(zhuǎn)化為電壓,送到單片機的A/D轉(zhuǎn)換口,以防止發(fā)生故障時大電流損壞電路。在電流監(jiān)測時,采用簡單的數(shù)值平均濾波方式,減弱瞬時峰值電流對測量結(jié)果的影響。4基于osfiga16節(jié)點本文實現(xiàn)四軸飛行器的直流無刷電機的驅(qū)動電路和系統(tǒng)控制軟件程序設(shè)計。驅(qū)動電路采用三相六臂全橋電路,MOSFET作為開關(guān)元件,利用ATmega16單片機作為控