多旋翼无人机直流电机驱动系统优化

2018-04-15成都信息工程大学何建霖李则辰

电子世界 2018年6期

成都信息工程大学何建霖李则辰

1.前言

无人机是一种具有独立升力设备，可以在无需驾驶员操控的情况下完成自主飞行任务的飞行设备。结构紧凑，动力利用效率高是无人机设备在军事、农业等领域所表现出来的主要特点。根据多旋翼无人机的运行特点，这一设备对直流电机驱动系统有着较为严苛的要求。现阶段多旋翼无人机中所使用的直流电机为由霍尔位置传感器控制的无刷直流电机和不受霍尔位置传感器控制的无刷直流电机组成。反电动势三次谐波积分检测法、磁链估计法和续流二极管检测法等检测方式是多旋翼无人机直流电机驱动系统素所用的转子获取方法。

2.多旋翼无人机驱动系统的工作原理

微电子技术及计算机技术的快速发展，让多旋翼无人机成为了飞行器领域的研究热点。无人机系统技术在军事、农业等领域发挥着重要的作用。无位置传感器无刷直流电机是多旋翼无人机的动力基础。无刷直流电机系统的构成、驱动方法及无刷直流电机驱动系统的系统结构是多旋翼无人机驱动系统的工作原理的主要影响因素。

2.1 无刷直流电机系统的构成

根据无人机系统的研究现状，多旋翼无人机可以分为商业多旋翼无人机，军用多旋翼无人机等多种设备。与之相关的无刷直流电机驱动系统包含有控制中枢、驱动部分及电源部分等多个部分。电机系统中的三项定子绕组、24对定子绕组和三相定子绕组可以与MOSFET功率开关期间相连接。三相绕组三角连接方式和三相绕组星型连接方式是定子绕组的主要连接方式。

2.2 无刷直流电机的控制方法

无刷直流电机在多旋翼无人机驱动系统的运行过程中发挥着较为重要的作用。根据多旋翼无人技术的研究现状，直流电机设备研究与无人机流场研究是飞行器研究领域所关注的两大重要问题[1]。多旋翼无人机的流场研究可以为多旋翼无人机编队协同飞行的安全提供保障。对多旋翼无刷直流电机的控制方法进行分析，可以为多旋翼无人机流场研究工作的开展提供一定的技术支持。在无刷直流电机的定子绕组与换相开关之间的连接方式存在差异性的情况下，人们可以将无数直流电机的控制方法分为以下内容。一是三相全桥式控制方式；二是三相半桥式控制方式。其中前者的控制结构和电路结构的复杂度要高于后者的相关结构。三相Y连接全桥控制电路可以被看作是三项全桥控制方法的代表元素。单片微型计算机MCU微控单元也在多旋翼无人机电机驱动系统中发挥着较为重要的作用。

2.3 无刷直流电机驱动系统的系统结构

无刷直流电动机中未安装有用于检测转子位置的传感器。转子位置是电动机换相主要影响因素。为了让电动机在正常运转阶段获取精准的转子位置信号，反电动势三次谐波积分检测法和磁链估计法等检测方法在多旋翼无人机直流电机驱动系统中得到了应用。为避免检测误差的出现，人们在对反电势过零检测原理进行应用的基础上，构建了三向六臂全控电桥驱动电路。主控计算机、电机、控制模块和1R2101驱动阵列驱动模块是无刷直流电机驱动系统的中不可缺少的元件。

3.多旋翼无人机驱动系统的常见故障

根据多旋翼无人机驱动系统的研究现状，多旋翼无人机的嵌入式自主飞行控制系统设计问题已经得到了一些学者的关注[2]。无人机驱动系统在直流电机在多旋翼无人机自主飞行系统中发挥着重要的作用。与多旋翼无人机驱动系统有关的系统故障涉及到了三相全控电桥短路故障及换相故障等多种故障形式。

3.1 三项全控电桥断路故障

多旋翼无人机驱动系统的三相全控电桥断路故障与多旋翼无人机直流电机的驱动系统负荷及系统中各个器件的工作环境之间有着较为密切的联系。在多旋翼无人机正常运转的情况下，驱动系统三相全控电桥所发出的调制信号可以被看作是电机相端电压输出波形的主要影响因素。三相全控电桥故障问题的出现，会让电机的电压端波形难以与调制信号保持一致性。如在三相全桥开关器件MOSFOT功率管出现故障以后，故障发生区域的端电压会出现较为明显的不规则变形。

3.2 换相故障

多旋翼无人机驱动系统的换相故障是驱动系统在未能获取准确的转子位置信息的情况下所产生的故障形式。超前换相和滞后换相是直流电机驱动系统换相故障的两种表现形式。在换相故障产生以后，驱动电路所散发的大量热量会给直流电机驱动系统的正常工作环境带来破坏，最终导致坠机现象的出现。

3.3 MOSFET击穿故障

在连接外接电源以后，不导通相所产生的反向电动势会在无刷直流电机电压平衡方程式中发挥较为重要的作用。在第三项产生的感生电动势见效益和，电枢绕组的电流的增加，会让驱动系统的运行效率有所降低。在电枢绕组中的电流增加至几百安培以后，MOSFET击穿短路故障的出现，会严重影响驱动系统的安全性和和可靠性。

4.多旋翼无人机直流电机驱动系统的优化措施

随着科学技术的不断发展，多旋翼无人机技术已经表现出了智能化、集成化的发展趋势[3]。燃料电池、太阳能电池设备的应用，已经让多旋翼无人机的续航时间得到了增加，对多旋翼无人机直流电机驱动系统进行优化，可以让多旋翼无人机更好地在国防、农业等领域发挥自身的作用。

4.1 端电压检测电路的优化措施

基于换相点的检测方法反电势检测可以在三项六态控制的无刷直流电机中得到应用。在气隙磁场对电机绕组的影响忽略不计的情况喜爱，人们通过MCU控制MOSFET功率开关器件的方式实现直流电机驱动系统的换相导通。现阶段电阻分压法和利用传感器直接检测电机相绕组电压的检测方法是应用于端电压检测的主要检测方法。其中电阻分压法具有着结构简单、易于操作的特点。为了让端电压检测电路发挥出优化端电压检测电路的作用，相关设计人员可以让端电压检测电路所获取的反电势延迟信号过零点信号直接传输至MCU之中。此时MCU可以在转子转过的电角度为30°的情况下，通过I/O口发出的相应控制，完成PWM信号占空比的调整，PWM信号占空比的调整也可以让直流电机中的功率MOSFET管的导通顺序得到改变，此时人们可以在对直流电机的转速和方向进行控制的基础上，为电机的稳定运行及快速响应提供保障。

通过对无刷直流电机绕组相输出电压进行分析，我们可以发现，输出电压中不仅包含有相电压，还含有大量的噪声引号。这些噪声信号会影响反电势过零点信号检测的检测效率的精确度。在位置检测输出之前增加滤波电容的措施也可以发挥出过滤噪声信号，优化端电压检测电路的作用。

4.2 电源模块的优化措施

以某型号无人机为例，该设备的电机驱动系统主控设备为C8051F500单片机，这一单片机的工作电压为3.3V.TI公司生产的IR2101驱动模块是电机的驱动模块，该模块的电压为12V，其所提供的电源电压为24V。针对电源故障问题对无人机设备正常运行的影响，人们可以借助以下方式对电源模块进行优化：一是借助电阻分压法优化电源模块；二是直接利用低电压输出模块；三是利用线性稳压转换芯片完成电源模块的优化。在电源模块优化方面，电阻分压法存在着功耗过高的缺陷。电机设备在功耗过高的情况下所产生的大量热量也会严重影响直流电机驱动系统的可靠性。建立在无人机直流电机电源开关技术基础之上的电源模块的工作效率相对较高，但是这一设备也存在着抗干扰能力差和成本过高的问题，在无人机设备直流电机驱动系统的需求数量相对较多的情况下，直接采用电源模块的电源模块优化措施也并不具有可行性。线性稳压芯片是多旋翼无人机直流电机驱动系统优化过程中常用的一种电源转换芯片。这种芯片所需的外围元器件的数量相对较少。在多旋翼无人机直流电机驱动系统之中，人们可以借助低电压差线性稳压器为系统提供电源。这一电源模块优化技术具有着成本低，稳压功能强的特点，故而可以在多旋翼无人机直流电机驱动系统优化过程中得到应用。

4.3 驱动模块1R2101阵列的优化

根据无人机直流电机驱动系统的特点，MCU单片机所输出的PWM信号并不具备驱动MOSFET功率管的通断的能力。在MCU控制信号与功率电路之间增加驱动电路的措施是对无人机直流电机驱动系统进行优化的有效措施。如果无人机直流电机驱动系统之中应用有三项全控电桥，相关人员可以在系统之中添加三种带有电压分所功能的IR2101芯片。以IR公司生产的IR2101功率管芯片为例，该芯片的输出电流在100-210mA之间，每一个驱动芯片可以在两个不同的MOSFOT功率管的开断过程中得到应用。这种芯片所具有的外围电路简单化特点，可以让逻辑电路对功率器件的要求得到有效降低。