文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.001
中文引用格式： 何帥，裴信彪，宮勛，等. 多旋翼無人機直流電機驅動系統優化[J].電子技術應用，2016，42(9)：2-5，9.
英文引用格式： He Shuai，Pei Xinbiao，Gong Xun，et al. Optimize driving system of direct current motor for multiple rotor unmanned aerial vehicle[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：2-5，9.
0 引言
近年來，多旋翼無人機的研究和應用范圍逐步擴大，大部分無人機均采用無位置傳感器無刷直流電機作為其動力基礎。無感無刷直流電機為外轉子結構，通過驅動系統使螺旋槳高速旋轉。無刷直流電機主要分為兩種，一種是有霍爾位置傳感器控制，一種是無霍爾位置傳感器控制。有霍爾傳感器控制的無刷直流電機結構相對復雜，可靠性差。無位置傳感器控制的直流電機適用場合廣，可靠性高，相對于有霍爾傳感器控制有較大優勢。因此，現在多采用無位置傳感器控制。
無刷直流電動機的無位置傳感器控制中，沒有傳感器直接檢測出轉子位置，但在電動機正常運轉過程中，仍然需要轉子位置信號來控制電動機換相。因此，如何獲得精準的轉子位置信號并控制電機換相，成為無位置傳感器無刷直流電機控制的關鍵。當前轉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、續流二極管檢測法、擴展卡爾曼濾波法、反電動勢過零檢測方法等。若使用DSP作為直流電機的主控芯片[1-2]，因為DSP具有強大的運算處理能力，所以電機可以快速并精準的啟動與控制，但其成本較高，電路結構也相對復雜，并且低速位置存在檢測誤差。
本文提出了一種以反電勢過零檢測原理為基礎，采用三向六臂全控電橋驅動電路，并采用復合型功率器件代替普通的MOSFET,控制模塊選取可靠性高、集成度高、控制功能強、低電壓低功耗的單片機C8051F500來實現，因此外圍電路結構簡單，響應速度快，可靠性高。并采取軟硬件結合啟動與PWM速度控制方式，實現電機的啟動與穩定運行[3-4]，大大提高多旋翼無人機無刷直流電機的調速與控制功能。
1 反電勢過零檢測
無位置傳感器無刷直流電機反電勢過零檢測法的基本原理為：電機定子繞組采用星形接法連接,檢測電樞繞組產生的梯形反電動勢波。本系統采用三相電橋兩兩導通的控制方式，H_PWM_ON_L_ON(上橋臂的MOSFET進行PWM調制，下橋臂的MOSFET恒通)調制方式，每相繞組正反向分別導通120°電角度，即每一瞬間有兩個功率管導通，每個60°電角度換相一次，然后通過檢測未導通相的反電動勢過零點，獲取轉子位置[5]。永磁無刷直流電機三相繞組等效電路如圖1所示。
U為相電壓，R為相電阻，i為相電流，L為定子繞組自感，M為定子繞組互感，e為相電勢，un為定子繞組中性點對地電壓，P為微分算子。則三相繞組的平衡表達式為：
對于星形接法的三相直流無刷直流電機在兩相通電模式條件下，滿足式(2)，并且在反電動勢波形過零附近，導通兩相反電動勢絕對值大小相等符號相反。所以上三式相加可得：
因此，當懸空相繞組端端電壓與中性點電壓進行比較進而獲取轉子繞組反電勢過零時刻。
取電動機正常工作狀態，增加轉子位置在T0時刻的狀態，并細化轉子位置的變化過程，得到如圖2所示的轉子位置與反向電動勢的相互關系。
在P1時刻，電流從A相繞組流入，C相繞組流出，此時線圈AA′受到一個逆時針方向的電磁力，同時轉子受到順時針方向的作用力。在同一時刻，CC′也會作用于轉子，使其受到順時針方向的作用力，并且由于B相繞組切割磁力線，產生負的反向電動勢。當轉子順時針轉過30°電角度后在T0時刻，B相繞組運動方向與磁力線平行，反向電動勢為零，產生過零信號。當轉子繼續轉過30°電角度后到達P2時刻便是換相時刻，控制電流由從B相繞組流入，C相繞組流出，如此循環往復。但是由于三相全橋的噪聲過大導致換相時電動機繞組有續流過程，這將導致雜散噪聲干擾電路的換相信號，干擾換相的準確性[6-7]。所以為了優化換向系統我們采用延時換相，即延時避開繞組電感續流過程再檢測過零點。
為了優化驅動系統，采用三相電橋取代原有的H橋，然后構建升力測試實驗平臺，實驗平臺的輸出通過TDS2014C示波器實時顯示，可測得相同占空比下通過H橋和三相電橋驅動的旋翼產生的升力，實驗結果如圖3(a)和3(b)所示。
從圖3(a)和3(b)可看出，相同占空比下采用三相電橋驅動的電機產生的升力是H橋升力的近兩倍。
2 直流電機總體結構
如圖4所示，無位置傳感器無刷電機可以分為4個模塊：直流電源模塊高效率DC-DC，控制模塊C8051F500單片機，驅動模塊IR2101驅動陣列，反電勢檢測模塊。電源模塊充分考慮電池瞬間高壓、瞬間浪涌電流的情況，在保證耐壓值高、過電流強的前提下用DC-DC代替LDO電源。控制模塊選取可靠性高、集成度高、控制功能強、低電壓低功耗的MCU，搭建通信迅速準確、控制實時無誤的控制器。采用三組全控電橋驅動方式，能夠高速地驅動電機換向運行。
3 硬件系統優化
3.1 端電壓檢測電路優化
端電壓檢測電路如圖5所示。作為整個硬件設計的核心，端電壓檢測電路將檢測到的三路反電勢延遲信號的過零點信號直接傳輸到MCU中，待轉子轉過30°電角度后MCU通過I/O口發出相應的控制字改變PWM信號的值，從而改變直流電機中的功率MOSFET管的兩兩導通順序，進而控制直流電機的轉速與方向，使電機穩定運行并快速響應。
3.2 電源模塊優化
本系統采用的主控是C8051F500單片機，它的工作電壓為3.3 V。驅動模塊采用的是TI公司的IR2101，它的工作電壓是12 V。并且提供的電源電壓為24 V。為了向整個驅動系統提供一個混合電壓系統。我們采用TI公司的MAX16910CASA芯片作為核心，設計出高效率降壓DC-DC電源模塊代替原有的的低電壓差線性穩壓器（LDO）電源模塊分別給單片機與IR2101使電源模塊得到優化從而為整個系統提供更穩定，更可靠的電源。其典型電路如圖6所示。
3.3 驅動模塊IR2101陣列優化
為了保證三相全橋的效率，全部采用N通道MOSFET 三相全控橋陣列。單片機直接輸出的PWM控制信號不足以驅動功率管的通斷。要在MCU控制信號與功率電路之間加上驅動電路。本系統用三個IR2101替代原有的單個IR2136已達到優化驅動模塊的目的，采用三個IR2101后電路更簡單，簡化了邏輯電路對功率器件的要求，可靠性明顯提高。
3.4 功率管優化
本系統之前采用的是三個P型MOSFET與三個N型MOSFET結合使用作為三相電橋的開關器件，但由于P型MOSFET的阻抗較大，響應速率相對較慢，故為了優化開關器件本系統采用6個PSMN5R5功率MOSFET管作為開關器件。通過對比實驗，可以明顯看出采用全N型MOSFET的響應速率明顯快于原有的3個N型與三個P型結合的電橋。驅動系統實物圖如圖7所示。
4 實驗結果及分析
實驗平臺：350 W無刷無位置傳感器直流電機，1 GHz、5 GSA/s TDS2014C示波器，DFY儀表電源箱，電機驅動系統模塊，實體飛行器。
將原有驅動系統與優化后驅動系統分別安裝到飛行器的兩個臂上，進行轉速測量與響應速率測量。通過DSP主控同時對優化前后的驅動系統輸入相同PWM信號，通過旋翼轉速變換的快慢可以測出響應速率的相應情況。
圖8為旋翼轉速對比實驗結果，X軸是時間，Y軸是轉速，藍色曲線是原有驅動系統旋翼轉速隨時間變化而變化的曲線；綠色曲線則是優化后系統旋翼轉速隨時間變化曲線。從圖中數據可看出優化后系統響應速率提高了10%，旋翼轉速提高了10%。
圖9為給定轉速為2 000 r/min時電機帶載的反向電動勢波形圖，可以看出反向電動勢過零點附近有很好的單調性，持續時間長，可以很好地避免誤過零現象。
直流電機正常運行時，實測直流電機A相端電壓的波形如圖10所示。從圖10(a)中可看出，從0.46 ms～2.64 ms期間三相全控電橋總價換相六次，為一個完整的電周期。在0.47 ms～0.83 ms為電周期的第一扇區，下橋臂B相恒通，上橋臂C相PWM調制。端電壓不僅時刻與調制信號保持同步，而且六個扇區的時間間隔在每一個電周期都是均勻的。結合圖10(b)與圖10(c)表明驅動電路板占空比與電周期成反比與轉速成正比，同時每個電周期內六個扇區的時間間隔均勻，端電壓輸出波形受控于全控電橋電路的調制信號。通過實際裝機證實本文所研究驅動板可以驅動無刷無感直流電機正常運行，并且為無人機的飛行提供足夠動力。
5 結論
經過理論分析與實驗驗證，以六個N型MOSFET功率管為核心，基于三相全控電橋PWM控制的驅動電路，直流電機的響應速率提高了10%，提高了換相的準確性，旋翼升力提高了50%，使電機的效率達到預期水平。驅動系統整體可靠性明顯提高，能夠更好的滿足多旋翼無人機的實際應用要求。
參考文獻
[1] 冬雷.DSP原理及電機控制系統應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.
[2] 王宏偉，梁暉無位置傳感器無刷直流電機的DSP控制技術[J].電力電子技術，2005，39（6）：102-104.
[3] 許大中，賀益康.電機控制(2版)[M].杭州：浙江大學出版社，2002.
[4] 宋海龍，楊明，范宇，等.無刷直流電動機的無位置傳感器控制[J].電機與控制學報，2002，6(3)：208-212.
[5] 程時兵，張愛軍.IR2110在無刷直流電機驅動電路中的應用[M].機電元件，2010，12,30.
[6] 夏長亮.無刷直流電機控制系統[M].北京：科學出版社，2009.
[7] 莊乾成，杜豫平.無位置傳感器直流無刷電機控制的研究[J].制造業自動化，2011，33(8)：98-101.
[8] 李利平，益斌，徐衛忠.無刷直流電機的控制研究[J].電氣動化，2012，34(3)：15-17.
[9] 孟磊，蔣宏，羅俊，等.四旋翼飛行器無刷直流電機調速系統的設計[J].電子設計工程，2011(12)：140-142.
[10] 喬維維.四旋翼飛行器飛行控制系統研究與仿真[D].太原：中北大學，2012.