小型倾转旋翼机的无刷直流电机驱动器设计

　　微控制器的选择

　　本设计中微控制器采用的是ADI公司生产的ADuC7060单片机。ADuC7060采用ARM7TDMI内核，其内部集成了一个三相PWM接口，16个通用I/O端口，两个独立的多通道24位Σ-ΔADC，以及通用定时器和I2C串行接口等资源，性能十分优越。当工作在10.24 MHz时，其功耗一般仅为25 mW，满足模型机系统对低功耗的要求。

　　三相桥式驱动电路

　　在本系统中，逆变电路为三相桥式结构，采用上桥臂单边PWM控制。如图4所示，图中V1~V6为功率MOSFET，上桥臂选用型号为IRFR5305的P沟道功率MOSFET，当PWM输出高电平时导通;下桥臂选用型号为IRFR1205的N沟道功率MOSFET，当I/O端口输出低电平时导通。在每个功率MOSFET的前端都放置了一个三极管，目的是提高微控制器端口的驱动能力，保证MOSFET的可靠开关。在一个电周期内，控制导通相序为AB→AC→BC→BA→CA→CB，即可使电机连续旋转。　　

 

　　反电势过零检测电路

　　反电势检测电路如图5所示，UA、 UB和 UC与电机绕组引出端连接，经过分压网络后得到分压点CMPA、CMPB和 CMPC，图中电容起滤波作用。同时图中电阻构成了一个星型网络，电路中NULL点可以用来虚拟中性点。这样只要利用比较器成对比较分压点与虚拟中性点电压，即可检测反电势信号的过零点。

　　无刷直流电机驱动系统软件设计

　　无刷直流电机驱动系统软件流程如图6所示，主要分为起动和调速两部分。由于电机转速与螺旋桨升力之间难以建立精确关系^[5]，所以设计中不对电机本身单独进行闭环控制，而是根据陀螺仪提供的反馈信号，对旋翼机整体进行闭环控制。当旋翼机控制器发出速度信号后，由ADuC7060微控制器I2C总线接收。如果速度信号从零开始增大，则需要进行起动，否则跳过起动程序，直接根据速度信号改变PWM的占空比，调节螺旋桨的转速。　　

 

　　无刷直流电机的起动

　　反电势信号在电机静止或低速时难以检测，因而电机起动时无法利用反电势信号自主换相。本文采用“三段式起动”法进行起动设计，它分为预定位、外同步加速、运行状态切换三个阶段^[6]。首先给任意两相绕组通电一段时间，使转子定位到已知的位置，然后利用微控制器产生频率逐渐提高的驱动信号，使电机以类似步进电机的方式加速，待转速达到可以产生清晰的反电势信号后再切换到自同步运行状态。

　　“三段式起动”法的关键是保证外同步加速和切换时不产生失步。针对外同步加速过程，通常采用升压升频加速或恒压升频加速方式。升压升频方式需兼顾PWM占空比及换相时间间隔与换相次数的关系，对于螺旋桨这类变转矩负载较难进行优化设计。本文采用恒压升频方式设计了一种针对螺旋桨负载的加速曲线。考虑到对于电机系统有：
          

　　式中J是系统的转动惯量;θ为转子转过的电角度;T_em为电磁转矩(与电枢电流成正比);T₀为空载阻转矩;T_L为负载转矩。在加速阶段，一方面由于螺旋桨负载转矩T_L随转速升高而增加;另一方面随着转速增加反电势也增加，导致电枢电流降低引起T_em减小，所以加速过程中应保证角加速度减小，才能使式(1)平衡。本设计中，结合实验调试，利用MATLAB拟合了一条幂函数加速曲线，如图7所示，其中横轴代表换相次数N(由于每次换相转过60°电角度，故N正比于θ)，纵轴为换相时间间隔。