小型无刷直流电机驱动器设计.doc

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1、小型无刷直流电机驱动器设计　本设计中采用反电势法无位置传感器无刷直流电机驱动策略。反电势法不需要借助位置传感器，仅通过检测反电势信号就可以判断转子位置，具有结构简单、可靠性高等优点[3,4]。如图2所示，为A相绕组的反电势在一个电周期内的波形，其中横轴代表当前运行时刻的电角度，纵轴代表A相绕组产生的反电势Ea。从图中可以看出，当检测到反电势信号过零点后，延迟30°电角度即是换相点。对于三相绕组电机，每隔60°电角度就会产生一个反电势过零点，过零点信号被ADuC7060微控制器检测并处理后，就可以产生相应的驱动信号驱动电机连续运转。　　4.无刷直流电机驱动系统硬件设计　　本系统采用

2、电压为12V的模型动力电池供电。硬件连接框图如图3所示，ADuC7060微控制器通过I2C接口接收来自主控制器发送的控制信号，根据转速要求改变PWM占空比，并实时检测反电势过零信号，进而通过桥式逆变电路驱动电机调速。为了保证运行安全，系统中还利用采样电阻设计了欠压/过流检测电路，以便在电池欠压和电机堵转过流时为系统提供保护。下面将对主要单元电路分别进行介绍。　　4.1微控制器的选择　　本设计中微控制器采用的是ADI公司生产的ADuC7060单片机。ADuC7060采用ARM7TDMI内核，其内部集成了一个三相PWM接口，16个通用I/O端口，两个独立的多通道24位Σ-ΔADC，以

3、及通用定时器和I2C串行接口等资源，性能十分优越。当工作在10.24MHz时，其功耗一般仅为25mW，满足模型机系统对低功耗的要求。　　4.2三相桥式驱动电路　　在本系统中，逆变电路为三相桥式结构，采用上桥臂单边PWM控制。如图4所示，图中V1~V6为功率MOSFET，上桥臂选用型号为IRFR5305的P沟道功率MOSFET，当PWM输出高电平时导通;下桥臂选用型号为IRFR1205的N沟道功率MOSFET，当I/O端口输出低电平时导通。在每个功率MOSFET的前端都放置了一个三极管，目的是提高微控制器端口的驱动能力，保证MOSFET的可靠开关。在一个电周期内，控制导通相序为AB

4、→AC→BC→BA→CA→CB，即可使电机连续旋转。　　4.3反电势过零检测电路　　反电势检测电路如图5所示，UA、UB和UC与电机绕组引出端连接，经过分压网络后得到分压点CMPA、CMPB和CMPC，图中电容起滤波作用。同时图中电阻构成了一个星型网络，电路中NULL点可以用来虚拟中性点。这样只要利用比较器成对比较分压点与虚拟中性点电压，即可检测反电势信号的过零点。　　5.无刷直流电机驱动系统软件设计　　无刷直流电机驱动系统软件流程如图6所示，主要分为起动和调速两部分。由于电机转速与螺旋桨升力之间难以建立精确关系[5]，所以设计中不对电机本身单独进行闭环控制，而是根据陀螺仪提供的

5、反馈信号，对旋翼机整体进行闭环控制。当旋翼机控制器发出速度信号后，由ADuC7060微控制器I2C总线接收。如果速度信号从零开始增大，则需要进行起动，否则跳过起动程序，直接根据速度信号改变PWM的占空比，调节螺旋桨的转速。　　5.1无刷直流电机的起动　　反电势信号在电机静止或低速时难以检测，因而电机起动时无法利用反电势信号自主换相。本文采用“三段式起动”法进行起动设计，它分为预定位、外同步加速、运行状态切换三个阶段[6]。首先给任意两相绕组通电一段时间，使转子定位到已知的位置，然后利用微控制器产生频率逐渐提高的驱动信号，使电机以类似步进电机的方式加速，待转速达到可以产生清晰的反电

6、势信号后再切换到自同步运行状态。“三段式起动”法的关键是保证外同步加速和切换时不产生失步。针对外同步加速过程，通常采用升压升频加速或恒压升频加速方式。升压升频方式需兼顾PWM占空比及换相时间间隔与换相次数的关系，对于螺旋桨这类变转矩负载较难进行优化设计。本文采用恒压升频方式设计了一种针对螺旋桨负载的加速曲线。考虑到对于电机系统有：　　式中J是系统的转动惯量;θ为转子转过的电角度;Tem为电磁转矩(与电枢电流成正比);T0为空载阻转矩;TL为负载转矩。在加速阶段，一方面由于螺旋桨负载转矩TL随转速升高而增加;另一方面随着转速增加反电势也增加，导致电枢电流降低引起Tem减小，所以加速

7、过程中应保证角加速度减小，才能使式(1)平衡。本设计中，结合实验调试，利用MATLAB拟合了一条幂函数加速曲线，如图7所示，其中横轴代表换相次数N(由于每次换相转过60°电角度，故N正比于θ)，纵轴为换相时间间隔Δt。　　下面简单介绍一下拟合方法，为简便起见，选取三个待拟合的点。根据这三个点的特点，不妨分别称它们为起始点、转折点和切换点，其中从起始点到转折点之间要求快速加速，保证起动速度;在转折点之后曲线应平缓，减小波动以便于平稳切换到自同步运行，切换点的选取应以能产生清晰的反电