四旋翼飞行探测器的设计+文献综述(4)
现在市场上大部分飞行器控制板采用瑞飞模型俱乐部的玉兔二代系列无刷直流电机专用集成控制芯片，该芯片包含了无刷电机控制系统必需的基本控制功能以及高精度气压计和罗盘，还有GPS模块。本设计的主控芯片采用ARM32位，不仅能够实现专用集成控制芯片可以实现无刷直流电机的所有功能，而且更容易对系统进行后续升级拓展。
2.1.1 电机的选取
异步电机的优点有价格便宜、可靠性高、转速高、低转矩波动和不用位置传感器等，采用矢量控制性能优异而成为电动车用驱动电机的首要选择。但是异步电机存在较大的铜损，运行效率低，特别是在低速运行时，效率较低。开关磁阻电机结构简单、效率高，低速运行时仍可提供很大的转矩，且驱动器设计比较简单；缺点主要是振动以及噪声较大。
无刷直流电机转子为永磁体，用定子绕组换相代替机械电刷换相，用霍尔传感器检测转子位置信息。与前两类电机相比，无刷直流电机的优点有：
（1）电机性能好，具有转矩大的特性。
（2）速度调节范围宽，可以全功率运行在任何转速下。
（3）电机转换效率高，载荷不影响其效率。
（4）过载能力强，制动效果好。
（5）电机整体体积小、重量轻。
（6）电机采用电子换相，可靠性高。
（7）电机控制系统较为简单。
因此无刷直流电机是比较理想的电动车辆驱动部件。无刷直流电机结构如图2所示。
图2 无刷直流电机结构
目前技术较为成熟的驱动方式为全桥式电机驱动，图3所示为无刷直流电机的驱动电路简化图。T1~T6为大功率驱动器件。根据单片机输出的逻辑信号，T1~T6会顺序导通和关断，从而驱动电机运转。
图3 无刷直流电机驱动简化图
2.2 系统设计的原理依据
2.2.1 无刷直流电机的控制
无刷直流电机由于没有电刷，电机的运转需要受到外部驱动电路的控制，可以用编程的方式实现电机的电子换相和无级调速。脉冲宽度调制属于模拟控制方式，是根据相应载荷的不同来调制MOS管栅极的偏置量，来改变MOS管导通时间的。这种调节方式能保证电源的输出电压在工作发生条件变化时文持恒定，是利用处理器输出的数字信号对模拟电路进行有效控制的一种方法。PWM脉宽调速，是指通过改变开关器件的通断时间，来改变电枢两端的平均电压，调节电机转速的方式。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，可将噪声影响降到最小。电机通过霍尔位置传感器获取转子的位置信息并送给控制器，控制器对位置信号进行逻辑综合，输出PWM波来控制开关管的导通和截止，驱动电机安全稳定运行[4]。
2.2.2 速度电流双闭环调节
整个双闭环控制系统包括电流回馈控制环和速度回馈控制环。系统的电流反馈控制环和速度反馈控制环的控制都是数字控制方式，都由玉兔二代飞行控制板来完成。外环是速度回馈控制环，玉兔二代飞行控制板根据设定的速度值与经霍尔传感器获得的信号计算出的实际速度值运算比较可以得到电流设定值，实际对应的为电机设定的电压值。内环为电流回馈环，对速度控制电路的输出电流设定值与经采样电阻采样放大转换得到的电流值，通过合适的算法，计算出对应的PWM波，从而实现电动机的闭环调速控制。双闭环调速系统把速度控制电路的输出作为电流控制电路的设定值来回馈控制电机的转。这种方法可以实时根据预设速度大小与实际运行速度大小的差值及时控制电机的转矩，在差值较大时增大电机转矩，加快速度变化，使电机速度较快地把达到预设值。在电机速度接近预设值时，自动减小转矩，避免超调过大，实现快速调速。