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双轴双旋翼无人机电机旋转偏向(多旋翼无人机控制系统建模)

宣布日期:2022-11-07 16:21

何帅1,2,裴新彪1,2,龚勋1,徐东福1,2,白悦1,徐志军1 。

(1)中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;2.中国科学院大学,北京10039)

为了提高电机驱动系统的可靠性,接纳三相全控桥H_PWM_ON_L_ON控制方法驱动电机旋转,通过反电动势过零检测方法剖析三个反向电动势电压与中性点的关系 。接纳功率MOSFET作为开关器件,用三个IR2101芯片驱动六个复合功率管实现精确换流 。与古板的H桥驱动系统相比,接纳该驱动系统的无人机空载寿命提高了20% 。驱动系统在-25下仍能稳定运行,响应速度提高了10% 。

无传感器无刷DC电机:三相全控桥:复合功率管;IR2101

TP273

文献标识码:A

10.16157/ISSN . 0258-7998

中文引用花样:何帅,裴新彪,宫勋,等.多旋翼无人机DC电机驱动系统的优化[J].电子技术应用,2016,42 (9): 2-5,9 。

英文引用花样:何帅,裴新彪,龚勋,等.多旋翼无人机直流电机驱动系统优化[J].电子技术的应用,2016,42(9):2-5,9 。

0 引言

近年来,多旋翼无人机的研究和应用规模逐渐扩大,大大都无人机接纳无传感器无刷DC电机作为动力基础 。无传感器无刷DC电机是一种外转子结构,螺旋桨通过驱动系统高速旋转 。无刷DC电机主要分为两种,一种是有霍尔位置传感器控制的,一种是没有霍尔位置传感器控制的 ;舳衅骺刂频奈匏C电机结构相对庞大,可靠性差 。无位置传感器控制的DC电机应用规模广,可靠性高,比霍尔传感器控制有很大优势 。因此,无传感器控制现在被广泛使用 。

在无刷DC电机的无传感器控制中,没有传感器直接检测转子位置,可是在电机正常运行时,仍然需要转子位置信号来控制电机换向 。因此,如何获得准确的转子位置信号并控制电机换向成为无传感器无刷DC电机控制的要害 。目前转子获取要领主要有反电动势三次谐波积分检测法、磁链预计法、续流二极管检测法、扩展卡尔曼滤波法、反电动势过零检测法等 。如果用DSP作为DC电机的主控芯片[1-2],由于其强大的运算能力,可以快速准确地启动和控制电机,但其本钱较高,电路结构相对庞大,低速位置保存检测误差 。

本文基于反电动势过零检测原理,接纳三路六臂全控桥式驱动电路,用复合功率器件取代普通MOSFET ?刂颇?榻幽筛呖煽啃浴⒏呒啥取⒖刂乒π俊⒌偷缪埂⒌凸牡腃8051F500单片机实现,外围电路结构简单、响应速度快、可靠性高 。接纳软硬件启动和PWM调速相结合的方法实现电机的启动和稳定运行[3-4],极大地提高了多旋翼无人机无刷DC电机的调速控制功效 。

1 反电势过零检测

无传感器无刷DC电机反电动势过零检测法的基来源理是:电机定子绕组接纳星形连接,检测电枢绕组爆发的梯形反电动势波 。在该系统中,三相电桥的控制方法为成对导通,接纳H_PWM_ON_L_ON(上桥臂的MOSFET为PWM调制,下桥臂的MOSFET为常数)调制方法 。每相绕组正向和反向导通120电角度,即两个功率管每时每刻导通,每60电角度换一次相 。然后通过检测非导通相反电动势的过零点获得转子位置【永磁无刷DC电机三相绕组等效电路如图1所示 。

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u相电压、R相电阻、I相电流、L-定子绕组自感、M-定子绕组互感、E相电势、非定子绕组中性po

关于星形连接的三相DC无刷DC电机,在两相通电方法下,满足公式(2),在反电动势波形的过零点四周,导通的两个相反电动势的绝对值巨细相等,符号相反 。所以以上三个公式可以加在一起获得:

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因此,当悬浮相绕组的端电压与中性点电压相比较时,可以获得转子绕组反电动势的过零时刻 。

取电机正常事情状态,增加T0时转子位置的状态,细化转子位置的变革历程,获得如图2所示的转子位置与反电动势的关系 。

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在P1,电流从A相绕组流入,从C相绕组流出 。此时,线圈AA’受到逆时针偏向的电磁力,而转子受到顺时针偏向的力 。同时CC '也会作用在转子上,使其顺时针作用,由于B相绕组切割磁力线而爆发负反电动势 。当转子顺时针旋转30电角度时,在T0,B相绕组的运动偏向与磁力线平行,反电动势为零,爆发过零信号 。当转子继续旋转30电角度并抵达P2时,就是换向时间 ?刂频缌鞔覤相绕组流入,从C相绕组流出,依此类推 。但由于三相全桥噪声过大,电机绕组在换相时有续流历程,会造成杂散噪声滋扰电路的换相信号和换相的准确性[6-7] 。因此,为了优化换相系统,我们接纳延迟换相,即延迟制止绕组电感续流历程,然后检测过零点 。

为了优化驱动系统,接纳三相电桥取代原H桥,搭建了电梯测试实验平台 。实验平台的输出由TDS2014C示波器实时显示,在相同占空比下可以丈量H桥和三相电桥驱动的旋翼爆发的升力 。实验结果如图3(a)和3(b)所示 。

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从图3(a)和3(b)可以看出,三相电桥驱动的电机爆发的升力在相同占空比下是H桥的近两倍 。

2 直流电机总体结构

如图4所示,无位置传感器无刷电机可分为四个?椋焊咝蔇C-DC DC电源?椤⒖刂颇?镃8051F500单片机、驱动?镮R2101驱动阵列和反电动势检测? 。该?槌浞挚悸堑绯氐乃彩备哐购屠擞康缌,在包管高耐压和强过流的前提下,用DC-DC替代LDO供电 ?刂颇?檠∮酶呖煽啃浴⒏呒啥取⒖刂乒π俊⒌偷缪埂⒌凸牡腗CU,构建通信快速准确、实时控制的控制器 。接纳三组全控桥式驱动方法,可驱动电机高速反转运行 。

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3 硬件系统优化

3.1 端电压检测电路优化

端电压检测电路如图5所示 。端电压检测电路作为整个硬件设计的焦点,将检测到的三个反电动势延时信号的过零信号直接传输给MCU 。转子转过30电角度后,MCU通过I/O口发出相应的控制字,改变PWM信号的值,从而改变DC电机中功率MOSFET管的导通顺序,进而控制DC电机的转速和偏向,使电机运行稳定,响应迅速 。

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3.2 电源?橛呕

本系统接纳的主控制器为C8051F500单片机,事情电压为3.3V,驱动?榻幽蒚I公司的IR2101,事情电压为12 V,供电电压为24 V,为整个驱动系统提供混淆电压系统 。以TI公司的MAX16910CASA芯片为焦点,设计了一款高效的降压DC-DC电源?,替代原有的低压差线性稳压器(LDO)电源?,并划分针对MCU和IR2101优化了电源?,为整个系统提供了越发稳定可靠的电源 。典范电路如图6所示 。

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3.3 驱动?镮R2101阵列优化

为了苏恩

以前,该系统使用三个P型MOSFET和三个N型MOSFET作为三相电桥的开关器件 。但由于P型MOSFET阻抗较大,响应速度相对较慢,为了优化开关器件,本系统使用了6个PSMN5R5功率MOSFET管作为开关器件 。通过比照实验可以清楚的看到,所有N型MOSFET的响应速度明显快于原来的三个N型和三个P型桥 。驱动系统的物理图如图7所示 。

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3.4 功率管优化

实验平台:350 W无刷无传感器DC电机、1 GHz、5 GSA/s TDS2014C示波器、DFY仪表电源箱、电机驱动系统?椤⒄媸捣苫 。

将原驱动系统和优化后的驱动系统划分装置在飞机的两臂上,丈量转速和响应速度 。通过DSP主控,优化前后向驱动系统输入相同的PWM信号,通过转子转速变革的快慢来权衡响应速度 。

图8示出了转子速度比较的实验结果 。X轴是时间,Y轴是速度,蓝色曲线是原驱动系统的转子速度随时间变革的曲线 。绿色曲线是优化系统的转子速度随时间变革的曲线 。从图中数据可以看出,优化后的系统响应速度提高了10%,转子转速提高了10% 。

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图9是在2 000转/分的给定速度下带负载的电机的反电动势的波形图 ?梢钥闯鲈诜吹缍频墓愕闼闹苡泻芎玫目菰镄,连续时间长,可以很好的制止假过零现象 。

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当DC电机正常运行时,DC电机A相端电压的丈量波形如图10所示 。从图10(a)可以看出,三相全控桥的总价从0.46 ms~2.64 ms变革6次,这是一个完整的电气周期 。在0.47 ms~0.83 ms,电周期的第一个扇区,下桥臂B相恒通,上桥臂C相PWM调制 。不但端电压始终与调制信号坚持同步,并且在每个电周期中六个扇区的时间间隔是均匀的 。结合图10(b)和图10(c)可知,驱动电路板的占空比与电周期成反比,与转速成正比,每个电周期的六个扇区的时间间隔是均匀的,端电压的输出波形由全控桥式电路的调制信号控制 。实际装置证明,本文研究的驱动板能够驱动无刷DC电机正常运行,为无人机航行提供足够的动力 。

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4 实验结果及剖析

通过理论剖析和实验验证,以6只N型MOSFET功率管为焦点,接纳三相全控桥PWM控制的驱动电路,DC电机的响应速度提高了10%,换相精度提高了50%,转子升程提高了50%,电机效率抵达了预期水平 。驱动系统的整体可靠性明显提高,能够更好地满足多旋翼无人机的实际应用需求 。

5 结论

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