小型倾转旋翼机的无刷直流电机驱动器设计

　　摘要：为了实现小型倾转旋翼机螺旋桨的可靠驱动，以ADuC7060 微控制器为核心，采用反电势法设计了一种无位置传感器无刷直流电机驱动器。利用MOSFET作为开关器件，给出了桥式逆变电路和位置检测电路的原理图。针对螺旋桨负载的特点，利用MATLAB优化了三段式起动方法的起动加速曲线，并对转子位置检测电路中滤波电容产生的相移进行了补偿。通过调试表明，无刷直流电机能够带载可靠起动，并通过PWM平稳调速，验证了设计的有效性。

　　引言

　　倾转旋翼机是一种集固定翼飞机和直升机优点于一身的新型飞行器。通过倾转轴带动螺旋桨的倾转，倾转旋翼机可以实现垂直起降和水平飞行两种模式的切换，因此与传统飞机相比，倾转旋翼机具有机动性强、载重量大、可垂直起降等优点^[1]。近年来对倾转旋翼机的研究已经成为航空领域的新热点。

　　目前，国内已经有研究机构开始试制小型样机，并对倾转旋翼机控制系统进行分析^[2]。本文在制作了小型倾转旋翼机结构的基础上，根据旋翼机的设计需求，选用运行可靠、电磁噪声小的无刷直流电机作为驱动电机，并采用ADuC7060单片机为控制芯片，对倾转旋翼机的驱动系统进行了设计。

　　倾转旋翼机系统结构

　　倾转旋翼机的结构如图1所示，分为垂直起降模式和水平飞行模式。系统采用MEMS陀螺仪和加速度计作为传感器，为控制器提供位置姿态信号，在负反馈机制作用下，驱动执行器进行姿态调节。以垂直起降模式为例，当两倾转轴同向转动时，就可以实现俯仰姿态的调节;当两倾转轴反向转动时，就会为机体提供一个扭矩，实现偏航姿态的调节;而当左右两个电机转速差动时，就实现滚转姿态的调节。可见，无刷直流电机的平稳调速对旋翼机系统至关重要。　　

 

　　无刷直流电机的驱动策略

　　本设计中采用反电势法无位置传感器无刷直流电机驱动策略。反电势法不需要借助位置传感器，仅通过检测反电势信号就可以判断转子位置，具有结构简单、可靠性高等优点^[3,4]。如图2所示，为A相绕组的反电势在一个电周期内的波形，其中横轴代表当前运行时刻的电角度，纵轴代表A相绕组产生的反电势Ea。从图中可以看出，当检测到反电势信号过零点后，再延迟30°电角度即是换相点。对于三相绕组电机，每隔60°电角度就会产生一个反电势过零点，过零点信号被ADuC7060微控制器检测并处理后，就可以产生相应的驱动信号驱动电机连续运转。　　

 

　　无刷直流电机驱动系统硬件设计

　　本系统采用电压为12 V的模型动力电池供电。硬件连接框图如图3所示，ADuC7060微控制器通过I2C接口接收来自主控制器发送的控制信号，根据转速要求改变PWM占空比，并实时检测反电势过零信号，进而通过桥式逆变电路驱动电机调速。为了保证运行安全，系统中还利用采样电阻设计了欠压/过流检测电路，以便在电池欠压和电机堵转过流时为系统提供保护。下面将对主要单元电路分别进行介绍。