四翼螺旋飛行器電動機控制器設計

周 峰，蔣 偉，王千龍

（1.揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127；2.揚州大學，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

多旋翼無人飛行器被大量使用在航拍等無人飛行領域。旋翼由電動機驅動，大多采用高功率密度的典型外轉子式無刷直流電動機，電機控制器應滿足體積小、功率密度高、高可靠、環境適應能力強等要求，因此控制器在常規無刷電動機控制器設計的基礎上更具針對性。

本文設計了一款無位置傳感器的無刷直流外轉子電機控制器，相比有位置傳感器控制器的區別在于取消了位置檢測裝置，通過檢測電動機的相反電勢電壓，利用反電勢過零比較策略間接計算電動機旋轉換相的反饋信號。同時相比傳統單一控制器驅動電動機控制結構而言，本設計將四旋翼四路電機驅動集成在同一個控制器上，更有利于控制器的小型化與多電動機協同控制，飛行體驗良好。

1 總體設計

1.1 總體設計架構

本設計采取一個控制器驅動四路電動機的方案，電動機及控制器的連線架構如圖1所示。一臺控制器根據總線控制指令，分別給四路電動機分配控制信號，驅動四路電動機帶動螺旋槳工作。

圖1 整體電動機及控制器架構示意圖

控制器由四路控制單元組成，四路控制單元共用功率濾波電路模塊、通信模塊。單路無刷電動機控制器將直流電轉化為三相交流電提供給電動機，硬件主要由主控模塊（控制芯片）、電源模塊、通信模塊、反電勢電壓采樣模塊以及電動機功率驅動模塊組成。

（1）主控模塊主要完成對控制系統的邏輯控制；

（2）電源模塊主要為不同電路供電；

（3）采樣模塊采取所需的各路傳感器信號；

（4）通信模塊完成總控系統的命令并實時上傳電動機運行狀態參數；

（5）電動機功率驅動模塊實現直流電壓到電機運行所需的交流變頻電壓的轉換。

本文采用無傳感器控制技術，反電勢電壓采樣單元采用電阻分壓采樣，有利于節約成本，提高產品可靠性。單路控制器系統結構如圖2所示。

圖2 單路控制器系統結構

1.2 設計原理

本設計采取無位置傳感器反電勢檢測換相無刷直流電動機控制策略。要使電動機正確換相，必須測量電氣周期中的絕對位置。對于常規通電，每個電氣周期需要6次等距換相。通常通過3個霍爾傳感器或光學開關（轉子上要有相應的圓盤）實現。圖3所示為3個傳感器的輸出信號和電動機三相分別對應的反電動勢（Back EMF,BEMF）電壓波形。

圖3 反電勢波形和換相圖

通過圖3發現，當電動機正常運行后反電勢隨轉子位置變化而發生變化，且在電周期中具有唯一的位置。因此，如果正確檢測出反電勢的過零點，就可以將無刷直流電動機的無傳感器控制轉換為有位置的控制。控制器輸出6路PWM信號驅動。如圖4所示，通過使用6個MOSFET，可以將三相繞組通過二二導通的方式驅動為高電平、低電平和不通電三種狀態。利用反電勢過零點確定的電動機轉子位置按照圖3的通電順序，即可啟動無刷直流電動機旋轉。

圖4 功率變換電路

1.3 通信方式選擇

控制器接收的通信信號是一組固定頻率的PWM信號。其中PWM信號的頻率范圍為50～400 Hz。通過對PWM信號高電平脈寬進行控制，實現外部控制信號的傳輸。通信協議見表1所列。

表1 通信協議

控制器通信采用電子調速器常用的脈寬調整方式，控制信號的輸入頻率為400 Hz，周期為2.5 ms，輸入波形如圖5所示。其中高電平1 ms（后文稱“油門為0%”）代表電動機停轉，高電平2 ms（后文稱“油門為100%”）代表電動機滿轉運行。調速步長為10 μs（代表1%油門）。控制器連續采集8個周期的高電平時間，進行平均運算后對電動機進行控制，控制信號波形示意如圖5所示。

圖5 控制信號波形示意圖

2 控制器設計

2.1 主控模塊設計

主控單元可實現信號采集、數據處理、算法實現、控制輸出、對外通信等功能。由于該部分為低壓電路，因此要求與功率電路做到有效的電氣隔離，以免受到干擾，影響系統的可靠性和穩定性。主控單元電路如圖6所示。

圖6 最小控制芯片單元電路

主控單元電路是基于Microchip公司DSPIC30F4011芯片設計的最小系統，包括時鐘、程序下載、數據存儲等輔助電路，負責算法實現、數據處理，是系統的控制核心。

2.2 輔助電源設計

本文設計了一種以LM22675為主芯片的BUCK降壓型不隔離電源電路，將控制電壓+15 V轉換為兩路+5 V電源，為數字電路與模擬電路供電。該電路具備較高的轉換效率，開關頻率達500 kHz，轉換效率超90%，簡化了電源系統電路，如圖7所示。

圖7 輔助電源單元

2.3 驅動及功率模塊設計

驅動電路采用了以IR2102為核心的不隔離自舉典型電路，在電路設計上更簡潔，產品的體積更小，成本更低。快恢復二極管（D、D、D）和電容（C、C、C）及驅動芯片內部電路組成了自舉升壓電路，當相輸出為低電平時，通過快恢復二極管對自舉電容充電；當相輸出為高電平時，自舉電容的負端被強行拉高，快恢復二極管控制電流流向，實現高端驅動電壓的自舉升壓功能。

功率模塊是采用6只單管MOSFET構成的三相逆變全橋電路，在功率電路上增加了雙電阻母線電流采樣，為過流保護提供信號采集功能。驅動及功率電路如圖8所示。

圖8 驅動及功率電路

2.4 采樣調理電路設計

反電勢電壓采樣電路通過串聯電阻分壓，電壓調理后送至主控芯片A/D采樣單元，通過軟件濾波處理后估算電動機過零換相點，如圖9所示。

圖9 反電勢采樣電路

電流采樣電路將母線功率采樣電阻兩端的電壓值分別進行調理計算，通過差分放大電路有效抑制信號干擾，得到能夠直接傳送給主控芯片的電壓，進行電流采樣、電流計算及功率限流。此外，該信號同時為硬件過流保護電路提供了信號輸入，在瞬時大電流場合非正常工況下對控制器提供保護，確保控制器不會出現燒毀等情況，電路如圖10所示。

圖10 溫度及電流采樣電路

2.5 印制板設計

本設計結合飛行器空間小的特點，將四路電機驅動集成在一塊印制板上，印制板設計成為四翼結構形式，四翼邊布置4只電動機所需功率三相全橋貼裝MOSFET，印制板中部放置公用直流母線支撐DC-Link電容組合，如圖11所示。采取四層印制板布線形式，中間二層分別是電源層與地線層，頂層與底層為信號層，采取分割地線層與電源層的布線方式，最大限度降低電磁干擾，印制板如圖12所示。

圖11 器件布局示意

圖12 地線層分割示意

3 性能測試

3.1 主要性能指標

控制器的功率供電電壓范圍：19～25 V，控制供電電壓：DC 15 V；

控制調速范圍：1 000～5 000 r/m，連續可調；

驅動控制器效率：≥90%（額定工況下）；

工作制式：額定工作時間2 h，峰值工作時間30 min，具體需根據整機電池容量確定。

3.2 測試工況

本次實驗按以下2種工況進行測試：

（1）電源電壓為22.2 V，遙控器在51%油門且電動機帶折疊漿的工作情況下，記錄此時電動機的轉速n和電流A；

（2）電源電壓為22.2 V，遙控器在71%油門且電動機帶折疊漿的工作情況下，記錄此時電動機的轉速n和電流A。

實驗平臺如圖13所示。系統包括：直流穩壓源、電流表、電調、BLDC樣機、溫度計和帶電流探頭的示波器。其中，溫度計用于檢測電調和BLDC樣機在工作過程中的溫升，示波器用于采集BLDC樣機三相線中任意一相的電流波形，便于得到當前BLDC樣機的工作速度。

圖13 實驗平臺

3.3 實驗數據

測試速度計算公式：

式中：n為轉速，單位為r/min；60指60 s；1 000指1 000 ms；12指樣本電動機極對數；T為一相電周期的時間，單位為ms。

取2個測試點，測試波形分別如圖14、圖15所示。

圖14 51%油門相電流波形

圖15 71%油門相電流波形

4 結 語

本文論述了無刷電動機控制器采取無傳感器反電勢位置檢測控制策略。通過實驗測試，轉速和帶載性能符合設計指標，系統運行穩定，滿足四旋翼飛行器電動機控制器調速范圍寬、效率高、功率密度大等性能需求。