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)旋翼機的研究尤為突出。與傳統(tǒng)飛機相比，傾轉(zhuǎn)旋翼機以其可實現(xiàn)垂直起降和水平飛行兩種模式的切換外，同時還具有載重量大等優(yōu)點。本文就將采用ADuC7060單片機為控制芯片，針對傾轉(zhuǎn)旋翼機控制的無刷直流電機驅(qū)動器進行講解。
說到傾轉(zhuǎn)旋翼機，首先要了解其結(jié)構(gòu)(如下圖所示)。通常傾轉(zhuǎn)旋翼機分為垂直起降模式和水平飛行模式。系統(tǒng)采用MEMS陀螺儀和加速度計作為傳感器，為控制器提供位置姿態(tài)信號，在負(fù)反饋機制作用下，驅(qū)動執(zhí)行器進行姿態(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)動時，就可以實現(xiàn)俯仰姿態(tài)的調(diào)節(jié)；當(dāng)兩傾轉(zhuǎn)軸反向轉(zhuǎn)動時，就會為機體提供一個扭矩，實現(xiàn)偏航姿態(tài)的調(diào)節(jié)；而當(dāng)左右兩個電機轉(zhuǎn)速差動時，就實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的調(diào)節(jié)。可見，無刷直流電機的平穩(wěn)調(diào)速對旋翼機系統(tǒng)至關(guān)重要。
目前無位置傳感器無刷直流電機驅(qū)動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(如下圖所示)，為A相繞組的反電勢在一個電周期內(nèi)的波形，其中橫軸代表當(dāng)前運行時刻的電角度，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后，再延遲30°電角度即是換相點。對于三相繞組電機，每隔60°電角度就會產(chǎn)生一個反電勢過零點，過零點信號被ADuC7060微控制器檢測并處理后，就可以產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號驅(qū)動電機連續(xù)運轉(zhuǎn)。
本文采用電壓為12 V的模型動力電池供電。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，并實時檢測反電勢過零信號，進而通過橋式逆變電路驅(qū)動電機調(diào)速。為了保證運行安全，系統(tǒng)中還利用采樣電阻設(shè)計了欠壓/過流檢測電路，以便在電池欠壓和電機堵轉(zhuǎn)過流時為系統(tǒng)提供保護。下面將對主要單元電路分別進行介紹。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端口輸出低電平時導(dǎo)通。在每個功率MOSFET的前端都放置了一個三極管，目的是提高微控制器端口的驅(qū)動能力，保證MOSFET的可靠開關(guān)。在一個電周期內(nèi)，控制導(dǎo)通相序為AB→AC→BC→BA→CA→CB，即可使電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
