何帥1，2，裴新彪1，2，龔勛1，徐東福1，2，白悅1，徐志軍1。

(1)中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京10039)

為了提高電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，采用三相全控橋H_PWM_ON_L_ON控制方式驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，通過反電動勢過零檢測方式分析三個反向電動勢電壓與中性點的關(guān)系。采用功率MOSFET作為開關(guān)器件，用三個IR2101芯片驅(qū)動六個復(fù)合功率管實現(xiàn)精確換流。與傳統(tǒng)的H橋驅(qū)動系統(tǒng)相比，采用該驅(qū)動系統(tǒng)的無人機空載壽命提高了20%。驅(qū)動系統(tǒng)在-25下仍能穩(wěn)定運行，響應(yīng)速度提高了10%。

無傳感器無刷DC電機：三相全控橋：復(fù)合功率管；IR2101

TP273

文獻標識碼：A

10.16157/ISSN . 0258-7998

中文引用格式：何帥，裴新彪，宮勛，等.多旋翼無人機DC電機驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)化[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (9): 2-5，9。

英文引用格式：何帥，裴新彪，龔勛，等.多旋翼無人機直流電機驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化[J].電子技術(shù)的應(yīng)用，2016，42(9):2-5，9。

0 引言

近年來，多旋翼無人機的研究和應(yīng)用范圍逐漸擴大，大多數(shù)無人機采用無傳感器無刷DC電機作為動力基礎(chǔ)。無傳感器無刷DC電機是一種外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，螺旋槳通過驅(qū)動系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)。無刷DC電機主要分為兩種，一種是有霍爾位置傳感器控制的，一種是沒有霍爾位置傳感器控制的。霍爾傳感器控制的無刷DC電機結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，可靠性差。無位置傳感器控制的DC電機應(yīng)用范圍廣，可靠性高，比霍爾傳感器控制有很大優(yōu)勢。因此，無傳感器控制現(xiàn)在被廣泛使用。

在無刷DC電機的無傳感器控制中，沒有傳感器直接檢測轉(zhuǎn)子位置，但是在電機正常運行時，仍然需要轉(zhuǎn)子位置信號來控制電機換向。因此，如何獲得準確的轉(zhuǎn)子位置信號并控制電機換向成為無傳感器無刷DC電機控制的關(guān)鍵。目前轉(zhuǎn)子獲取方法主要有反電動勢三次諧波積分檢測法、磁鏈估計法、續(xù)流二極管檢測法、擴展卡爾曼濾波法、反電動勢過零檢測法等。如果用DSP作為DC電機的主控芯片[1-2]，由于其強大的運算能力，可以快速準確地啟動和控制電機，但其成本較高，電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，低速位置存在檢測誤差。

本文基于反電動勢過零檢測原理，采用三路六臂全控橋式驅(qū)動電路，用復(fù)合功率器件代替普通MOSFET。控制模塊采用高可靠性、高集成度、控制功能強、低電壓、低功耗的C8051F500單片機實現(xiàn)，外圍電路結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、可靠性高。采用軟硬件啟動和PWM調(diào)速相結(jié)合的方式實現(xiàn)電機的啟動和穩(wěn)定運行[3-4]，極大地提高了多旋翼無人機無刷DC電機的調(diào)速控制功能。

1 反電勢過零檢測

無傳感器無刷DC電機反電動勢過零檢測法的基本原理是：電機定子繞組采用星形連接，檢測電樞繞組產(chǎn)生的梯形反電動勢波。在該系統(tǒng)中，三相電橋的控制方式為成對導(dǎo)通，采用H_PWM_ON_L_ON(上橋臂的MOSFET為PWM調(diào)制，下橋臂的MOSFET為常數(shù))調(diào)制方式。每相繞組正向和反向?qū)?20電角度，即兩個功率管每時每刻導(dǎo)通，每60電角度換一次相。然后通過檢測非導(dǎo)通相反電動勢的過零點得到轉(zhuǎn)子位置【永磁無刷DC電機三相繞組等效電路如圖1所示。

u相電壓、R相電阻、I相電流、L-定子繞組自感、M-定子繞組互感、E相電勢、非定子繞組中性po

對于星形連接的三相DC無刷DC電機，在兩相通電方式下，滿足公式(2)，在反電動勢波形的過零點附近，導(dǎo)通的兩個相反電動勢的絕對值大小相等，符號相反。所以以上三個公式可以加在一起得到：

因此，當懸浮相繞組的端電壓與中性點電壓相比較時，可以得到轉(zhuǎn)子繞組反電動勢的過零時刻。

取電機正常工作狀態(tài)，增加T0時轉(zhuǎn)子位置的狀態(tài)，細化轉(zhuǎn)子位置的變化過程，得到如圖2所示的轉(zhuǎn)子位置與反電動勢的關(guān)系。

在P1，電流從A相繞組流入，從C相繞組流出。此時，線圈AA’受到逆時針方向的電磁力，而轉(zhuǎn)子受到順時針方向的力。同時CC '也會作用在轉(zhuǎn)子上，使其順時針作用，由于B相繞組切割磁力線而產(chǎn)生負反電動勢。當轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)30電角度時，在T0，B相繞組的運動方向與磁力線平行，反電動勢為零，產(chǎn)生過零信號。當轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)30電角度并到達P2時，就是換向時間。控制電流從B相繞組流入，從C相繞組流出，依此類推。但由于三相全橋噪聲過大，電機繞組在換相時有續(xù)流過程，會造成雜散噪聲干擾電路的換相信號和換相的準確性[6-7]。因此，為了優(yōu)化換相系統(tǒng)，我們采用延遲換相，即延遲避免繞組電感續(xù)流過程，然后檢測過零點。

為了優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)，采用三相電橋代替原H橋，搭建了電梯測試實驗平臺。實驗平臺的輸出由TDS2014C示波器實時顯示，在相同占空比下可以測量H橋和三相電橋驅(qū)動的旋翼產(chǎn)生的升力。實驗結(jié)果如圖3(a)和3(b)所示。

從圖3(a)和3(b)可以看出，三相電橋驅(qū)動的電機產(chǎn)生的升力在相同占空比下是H橋的近兩倍。

2 直流電機總體結(jié)構(gòu)

如圖4所示，無位置傳感器無刷電機可分為四個模塊：高效率DC-DC DC電源模塊、控制模塊C8051F500單片機、驅(qū)動模塊IR2101驅(qū)動陣列和反電動勢檢測模塊。該模塊充分考慮電池的瞬時高壓和浪涌電流，在保證高耐壓和強過流的前提下，用DC-DC替代LDO供電。控制模塊選用高可靠性、高集成度、控制功能強、低電壓、低功耗的MCU，構(gòu)建通信快速準確、實時控制的控制器。采用三組全控橋式驅(qū)動方式，可驅(qū)動電機高速反轉(zhuǎn)運行。

3 硬件系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 端電壓檢測電路優(yōu)化

端電壓檢測電路如圖5所示。端電壓檢測電路作為整個硬件設(shè)計的核心，將檢測到的三個反電動勢延時信號的過零信號直接傳輸給MCU。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30電角度后，MCU通過I/O口發(fā)出相應(yīng)的控制字，改變PWM信號的值，從而改變DC電機中功率MOSFET管的導(dǎo)通順序，進而控制DC電機的轉(zhuǎn)速和方向，使電機運行穩(wěn)定，響應(yīng)迅速。

3.2 電源模塊優(yōu)化

本系統(tǒng)采用的主控制器為C8051F500單片機，工作電壓為3.3V，驅(qū)動模塊采用TI公司的IR2101，工作電壓為12 V，供電電壓為24 V，為整個驅(qū)動系統(tǒng)提供混合電壓系統(tǒng)。以TI公司的MAX16910CASA芯片為核心，設(shè)計了一款高效的降壓DC-DC電源模塊，替代原有的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)電源模塊，并分別針對MCU和IR2101優(yōu)化了電源模塊，為整個系統(tǒng)提供了更加穩(wěn)定可靠的電源。典型電路如圖6所示。

3.3 驅(qū)動模塊IR2101陣列優(yōu)化

為了蘇恩

以前，該系統(tǒng)使用三個P型MOSFET和三個N型MOSFET作為三相電橋的開關(guān)器件。但由于P型MOSFET阻抗較大，響應(yīng)速度相對較慢，為了優(yōu)化開關(guān)器件，本系統(tǒng)使用了6個PSMN5R5功率MOSFET管作為開關(guān)器件。通過對比實驗可以清楚的看到，所有N型MOSFET的響應(yīng)速度明顯快于原來的三個N型和三個P型橋。驅(qū)動系統(tǒng)的物理圖如圖7所示。

3.4 功率管優(yōu)化

實驗平臺：350 W無刷無傳感器DC電機、1 GHz、5 GSA/s TDS2014C示波器、DFY儀表電源箱、電機驅(qū)動系統(tǒng)模塊、真實飛機。

將原驅(qū)動系統(tǒng)和優(yōu)化后的驅(qū)動系統(tǒng)分別安裝在飛機的兩臂上，測量轉(zhuǎn)速和響應(yīng)速度。通過DSP主控，優(yōu)化前后向驅(qū)動系統(tǒng)輸入相同的PWM信號，通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的快慢來衡量響應(yīng)速度。

圖8示出了轉(zhuǎn)子速度比較的實驗結(jié)果。X軸是時間，Y軸是速度，藍色曲線是原驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子速度隨時間變化的曲線。綠色曲線是優(yōu)化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子速度隨時間變化的曲線。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后的系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了10%，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高了10%。

圖9是在2 000轉(zhuǎn)/分的給定速度下帶負載的電機的反電動勢的波形圖。可以看出在反電動勢的過零點附近有很好的單調(diào)性，持續(xù)時間長，可以很好的避免假過零現(xiàn)象。

0

當DC電機正常運行時，DC電機A相端電壓的測量波形如圖10所示。從圖10(a)可以看出，三相全控橋的總價從0.46 ms~2.64 ms變化6次，這是一個完整的電氣周期。在0.47 ms~0.83 ms，電周期的第一個扇區(qū)，下橋臂B相恒通，上橋臂C相PWM調(diào)制。不僅端電壓始終與調(diào)制信號保持同步，而且在每個電周期中六個扇區(qū)的時間間隔是均勻的。結(jié)合圖10(b)和圖10(c)可知，驅(qū)動電路板的占空比與電周期成反比，與轉(zhuǎn)速成正比，每個電周期的六個扇區(qū)的時間間隔是均勻的，端電壓的輸出波形由全控橋式電路的調(diào)制信號控制。實際安裝證明，本文研究的驅(qū)動板能夠驅(qū)動無刷DC電機正常運行，為無人機飛行提供足夠的動力。

4 實驗結(jié)果及分析

通過理論分析和實驗驗證，以6只N型MOSFET功率管為核心，采用三相全控橋PWM控制的驅(qū)動電路，DC電機的響應(yīng)速度提高了10%，換相精度提高了50%，轉(zhuǎn)子升程提高了50%，電機效率達到了預(yù)期水平。驅(qū)動系統(tǒng)的整體可靠性明顯提高，能夠更好地滿足多旋翼無人機的實際應(yīng)用需求。

5 結(jié)論

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