近年來我國對于航空領(lǐng)域的電子技術(shù)研究日漸興盛，對于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的研究尤為突出。與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)以其可實(shí)現(xiàn)垂直起降和水平飛行兩種模式的切換外，同時(shí)還具有載重量大等優(yōu)點(diǎn)。本文就將采用ADuC7060單片機(jī)為控制芯片，針對傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)控制的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行講解。
說到傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，首先要了解其結(jié)構(gòu)(如下圖所示)。通常傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)分為垂直起降模式和水平飛行模式。系統(tǒng)采用MEMS陀螺儀和加速度計(jì)作為傳感器，為控制器提供位置姿態(tài)信號，在負(fù)反饋機(jī)制作用下，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)。以垂直起降模式為例，當(dāng)兩傾轉(zhuǎn)軸同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)俯仰姿態(tài)的調(diào)節(jié)；當(dāng)兩傾轉(zhuǎn)軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會為機(jī)體提供一個(gè)扭矩，實(shí)現(xiàn)偏航姿態(tài)的調(diào)節(jié)；而當(dāng)左右兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速差動(dòng)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的調(diào)節(jié)?？梢姡瑹o刷直流電機(jī)的平穩(wěn)調(diào)速對旋翼機(jī)系統(tǒng)至關(guān)重要。
目前無位置傳感器無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)策略主要以反電勢法為主，也就是說不需要借助位置傳感器，僅通過檢測反電勢信號就可以判斷轉(zhuǎn)子位置，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)(如下圖所示)，為A相繞組的反電勢在一個(gè)電周期內(nèi)的波形，其中橫軸代表當(dāng)前運(yùn)行時(shí)刻的電角度，縱軸代表A相繞組產(chǎn)生的反電勢Ea。從圖中可以看出，當(dāng)檢測到反電勢信號過零點(diǎn)后，再延遲30°電角度即是換相點(diǎn)。對于三相繞組電機(jī)，每隔60°電角度就會產(chǎn)生一個(gè)反電勢過零點(diǎn)，過零點(diǎn)信號被ADuC7060微控制器檢測并處理后，就可以產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
本文采用電壓為12 V的模型動(dòng)力電池供電。硬件連接框圖如上圖所示，ADuC7060微控制器通過I2C接口接收來自主控制器發(fā)送的控制信號，根據(jù)轉(zhuǎn)速要求改變PWM占空比，并實(shí)時(shí)檢測反電勢過零信號，進(jìn)而通過橋式逆變電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速。為了保證運(yùn)行安全，系統(tǒng)中還利用采樣電阻設(shè)計(jì)了欠壓/過流檢測電路，以便在電池欠壓和電機(jī)堵轉(zhuǎn)過流時(shí)為系統(tǒng)提供保護(hù)。下面將對主要單元電路分別進(jìn)行介紹。在本系統(tǒng)中，逆變電路為三相橋式結(jié)構(gòu)，采用上橋臂單邊PWM控制。如圖4所示，圖中V1~V6為功率MOSFET，上橋臂選用型號為IRFR5305的P溝道功率MOSFET，當(dāng)PWM輸出高電平時(shí)導(dǎo)通；下橋臂選用型號為IRFR1205的N溝道功率MOSFET，當(dāng)I/O端口輸出低電平時(shí)導(dǎo)通。在每個(gè)功率MOSFET的前端都放置了一個(gè)三極管，目的是提高微控制器端口的驅(qū)動(dòng)能力，保證MOSFET的可靠開關(guān)。在一個(gè)電周期內(nèi)，控制導(dǎo)通相序?yàn)锳B→AC→BC→BA→CA→CB，即可使電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
