双轴双旋翼无人机电机旋转方向(多旋翼无人机控制系统建模)

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，采用三相全控桥H_PWM_ON_L_ON控制方式驱动电机旋转，通过反电动势过零检测方式分析三个反向电动势电压与中性点的关系。采用功率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。与传统的H桥驱动系统相比，采用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

中文引用格式：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。

英文引用格式：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范围逐渐扩大，大多数无人机采用无传感器无刷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。霍尔传感器控制的无刷DC电机结构相对复杂，可靠性差。无位置传感器控制的DC电机应用范围广，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，但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电机控制的关键。目前转子获取方法主要有反电动势三次谐波积分检测法、磁链估计法、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，但其成本较高，电路结构相对复杂，低速位置存在检测误差。

本文基于反电动势过零检测原理，采用三路六臂全控桥式驱动电路，用复合功率器件代替普通MOSFET。控制模块采用高可靠性、高集成度、控制功能强、低电压、低功耗的C8051F500单片机实现，外围电路结构简单、响应速度快、可靠性高。采用软硬件启动和PWM调速相结合的方式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电机的调速控制功能。

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本原理是：电机定子绕组采用星形连接，检测电枢绕组产生的梯形反电动势波。在该系统中，三相电桥的控制方式为成对导通，采用H_PWM_ON_L_ON(上桥臂的MOSFET为PWM调制，下桥臂的MOSFET为常数)调制方式。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得到转子位置【永磁无刷DC电机三相绕组等效电路如图1所示。

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

对于星形连接的三相DC无刷DC电机，在两相通电方式下，满足公式(2)，在反电动势波形的过零点附近，导通的两个相反电动势的绝对值大小相等，符号相反。所以以上三个公式可以加在一起得到：

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

取电机正常工作状态，增加T0时转子位置的状态，细化转子位置的变化过程，得到如图2所示的转子位置与反电动势的关系。

在P1，电流从A相绕组流入，从C相绕组流出。此时，线圈AA’受到逆时针方向的电磁力，而转子受到顺时针方向的力。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产生负反电动势。当转子顺时针旋转30电角度时，在T0，B相绕组的运动方向与磁力线平行，反电动势为零，产生过零信号。当转子继续旋转30电角度并到达P2时，就是换向时间。控制电流从B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过程，会造成杂散噪声干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，我们采用延迟换相，即延迟避免绕组电感续流过程，然后检测过零点。

为了优化驱动系统，采用三相电桥代替原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测量H桥和三相电桥驱动的旋翼产生的升力。实验结果如图3(a)和3(b)所示。

从图3(a)和3(b)可以看出，三相电桥驱动的电机产生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模块：高效率DC-DC DC电源模块、控制模块C8051F500单片机、驱动模块IR2101驱动阵列和反电动势检测模块。该模块充分考虑电池的瞬时高压和浪涌电流，在保证高耐压和强过流的前提下，用DC-DC替代LDO供电。控制模块选用高可靠性、高集成度、控制功能强、低电压、低功耗的MCU，构建通信快速准确、实时控制的控制器。采用三组全控桥式驱动方式，可驱动电机高速反转运行。

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核心，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电机的转速和方向，使电机运行稳定，响应迅速。

3.2 电源模块优化

本系统采用的主控制器为C8051F500单片机，工作电压为3.3V，驱动模块采用TI公司的IR2101，工作电压为12 V，供电电压为24 V，为整个驱动系统提供混合电压系统。以TI公司的MAX16910CASA芯片为核心，设计了一款高效的降压DC-DC电源模块，替代原有的低压差线性稳压器(LDO)电源模块，并分别针对MCU和IR2101优化了电源模块，为整个系统提供了更加稳定可靠的电源。典型电路如图6所示。

3.3 驱动模块IR2101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。通过对比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。

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、电机驱动系统模块、真实飞机。

将原驱动系统和优化后的驱动系统分别安装在飞机的两臂上，测量转速和响应速度。通过DSP主控，优化前后向驱动系统输入相同的PWM信号，通过转子转速变化的快慢来衡量响应速度。

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化的曲线。绿色曲线是优化系统的转子速度随时间变化的曲线。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%。

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。可以看出在反电动势的过零点附近有很好的单调性，持续时间长，可以很好的避免假过零现象。

0

当DC电机正常运行时，DC电机A相端电压的测量波形如图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变化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。不仅端电压始终与调制信号保持同步，而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。实际安装证明，本文研究的驱动板能够驱动无刷DC电机正常运行，为无人机飞行提供足够的动力。

4 实验结果及分析

通过理论分析和实验验证，以6只N型MOSFET功率管为核心，采用三相全控桥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%，电机效率达到了预期水平。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

[1]董磊。DSP原理及在电机控制系统中的应用[M]。北京：北京航空航天大学出版社，2007。

王宏伟，无位置传感器无刷DC电机DSP控制技术[J].电力电子技术，2005，39 (6): 102-104。

许大中，何以康。电机控制(第二版)[M]。杭州：浙江大学出版社，2002。

宋海龙，杨明，樊宇，等.无刷DC电机的无传感器控制[J].电机与控制学报，2002，6 (3): 208-212。

程世兵，张爱军。IR2110在无刷DC电机驱动电路中的应用[M].机电元件，2010，12，30。

夏。无刷DC电机控制系统[M].北京：科学出版社，2009。

庄干成，杜玉萍。无传感器DC无刷电机控制研究[J].制造自动化，2011，33 (8): 98-101。

李丽萍，易斌，许伟忠。无刷DC电机的控制研究[J].电动力学，2012，34 (3): 15-17。

孟磊，蒋红，罗俊，等.四旋翼飞行器无刷DC电机调速系统设计[J].电子设计工程，2011 (12): 140-142。

[10]乔薇薇。四旋翼飞行器飞行控制系统的研究与仿真[D].太原：中北大学，2012。