周婷婷，寧芳青，董理想，宛杰

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山，243032）

關(guān)鍵字：無刷電機(jī)；電子調(diào)速；MCU

0 引言

隨著電能的廣泛應(yīng)用，作為電能轉(zhuǎn)化為動能這一過程電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，于此同時電機(jī)的控制也要求越來越精確；越來越多的電子產(chǎn)品中用到電機(jī)；同時電機(jī)的種類也在增加，簡單來說電機(jī)分為兩種直流電機(jī)和交流電機(jī)[1]。它們最主要的區(qū)別在于換向問題上，直流電機(jī)需要換向器換向，交流電機(jī)通過交流電源換向，這導(dǎo)致了交直流電機(jī)在工作性能和應(yīng)用的本質(zhì)上差別[2]；在直流電機(jī)和交流電機(jī)下面又細(xì)分為多種電機(jī)同步電機(jī)，異步電機(jī)，舵機(jī)，步進(jìn)電機(jī)等多種多樣的電機(jī)同時也有著它們獨特的調(diào)速方式和特殊的工作環(huán)境；同樣四旋翼飛行器也有著它適合的電機(jī)[3-5]。

1 電機(jī)調(diào)速原理

1.1 有刷電機(jī)調(diào)速原理

直流電機(jī)調(diào)速現(xiàn)在多選用直流斬波調(diào)速，相對與其它調(diào)速方式斬波調(diào)速調(diào)速調(diào)速范圍寬; 電流波形系數(shù)好；附加損耗小;功率因數(shù)高。常見的斬波調(diào)速電路。通過調(diào)整PWM控制晶閘管通斷實現(xiàn)斬波可以完成電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

1.2 直流無刷電機(jī)調(diào)速原理

直流無刷電機(jī)本質(zhì)是一個逆變電路加一個交流電機(jī)[6-7]。通過改變交流電源頻率來改變電機(jī)換向速度從而實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速[8]；與直流電機(jī)相比無刷電機(jī)的換向通過逆變的交流電來實現(xiàn)換向。

2 電機(jī)調(diào)速優(yōu)化

2.1 無刷電機(jī)調(diào)速方式

無刷電機(jī)驅(qū)動需要六路高速控制信號來實現(xiàn)mos管控制[9]；這么多控制口如果全都連接到四旋翼上，即四旋翼系統(tǒng)的mcu，那么一方面占用mcu的接口資源另一方面控制起來較為困難針對四路電機(jī)需要處理的數(shù)據(jù)較多，這樣會較大的占用mcu的運(yùn)行時間，為了提高四旋翼控制系統(tǒng)的工作效率以及電機(jī)的控制精度，將電機(jī)的控制單獨用一個mcu來控制，然后與四旋翼控制系統(tǒng)聯(lián)系起[10]。

將該電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)與四旋翼控制系統(tǒng)聯(lián)系起來有多種方式，例如通過串口的方式將要下發(fā)的轉(zhuǎn)速指令給電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；但由于串口發(fā)送指令較為緩慢所以不適合實時控制；這里用定時器發(fā)送固定頻率的PWM波代替串口發(fā)送速度值；電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通過接受固定頻率的PWM來進(jìn)行對電機(jī)速度的控制[11]。

2.2 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)搭建

電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體包括兩部分，一部分為電機(jī)驅(qū)動部分，該部分主要由MOS管組成的一個三相的逆變電路，通過控制部分給該部分提供控制信號實現(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)換；另一部分是電機(jī)控制部分，該部分主要由單片機(jī)實現(xiàn)電機(jī)速度讀取，以及電機(jī)速度控制，該部分也是該調(diào)速系統(tǒng)的核心。

該部分主要為stm8s105k4t6單片的最小系統(tǒng)組成，考慮到該控制系統(tǒng)資源的需求以及單片的價格；stm8s105k4t6為8位STM微 控 制 器 包 涵16kbFLASH，2kbRAM，1024bitEPROM；該控制系統(tǒng)中主要用到該芯片的三路定時器TIM1，TIM2，TIM3[12].TIM1的四路通道以及TIM2的兩路通道用來控制電機(jī)驅(qū)動部分的MOS管通斷狀態(tài)；TIM3的一路通道用來采集飛控系統(tǒng)下發(fā)的速度指令；該系統(tǒng)工作時，TIM3采集到飛控系統(tǒng)下發(fā)的速度指令即固定頻率的PWM波，此時定時器采集采集飛控下發(fā)控制信號頻率計算保存后采集下發(fā)PWM脈寬，即PWM的占空比，通過計算分析下發(fā)速度大?。辉陔姍C(jī)剛啟動和啟動后該控制系統(tǒng)還要分析作對比避免電機(jī)無法直接啟動。

2.3 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體框架

由上述分析該電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)包括控制部分電機(jī)驅(qū)動部分加上無刷電機(jī)，電機(jī)的速度采集通過mcu的脈沖輸出頻率來計算得到。電機(jī)輸入電源要求電流較大不能由mcu直接驅(qū)動必須外加驅(qū)動電路。

該系統(tǒng)由四旋翼中的mcu發(fā)送PWM波的控制信號與調(diào)速系統(tǒng)中的mcu通信；調(diào)速系統(tǒng)將采集的控制信號分析處理后得到電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，然后計算目標(biāo)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的交流頻率，將該交流頻率輸出送到驅(qū)動再控制電機(jī)；另一方面電機(jī)驅(qū)動將自己輸出的電源電壓與電流發(fā)送到調(diào)速系統(tǒng)的mcu中當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)采集的反饋值過低時關(guān)斷控制信號，當(dāng)電機(jī)處于高速旋轉(zhuǎn)時驅(qū)動電源電壓與電流過低即欠點的情況下調(diào)速系統(tǒng)會適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速實現(xiàn)四旋翼的降落與停止。

3 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)simulink仿真

無刷電機(jī)調(diào)速部分包括控制部分，驅(qū)動部分，無刷電機(jī)部分[13]；控制及驅(qū)動部分已經(jīng)模塊化。

控制部分由于通過算法加入各種環(huán)境狀態(tài)下的控制命令不容易實現(xiàn)；所以直接對其處理做了正常狀態(tài)下轉(zhuǎn)速測試控制信號，即給定固定頻率和脈寬的信號來控制驅(qū)動六路脈沖信號頻率脈寬都相同初始相位不同，分別對應(yīng)控制驅(qū)動的六路mosfet；驅(qū)動部分為完整部分，該系統(tǒng)也是在這里將直流電源逆變成需要的交流電源；該部分電路主要由直流電源加上六路MOS管組成逆變電路，具體輸出電壓波形與MOS管輸入的控制信號有關(guān)。

最后打開電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖，在一定范圍內(nèi)增大負(fù)載及扭矩電機(jī)轉(zhuǎn)速依然恒定，與自己的希望達(dá)到的理想狀態(tài)相同具體轉(zhuǎn)速如下。

在多次改變控制信號的頻率時仿真結(jié)果與期望狀態(tài)相差不大，轉(zhuǎn)速改變且轉(zhuǎn)速依然平穩(wěn)。

4 結(jié)論

本文主要針對四旋翼電機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行優(yōu)化，通過分析電機(jī)性能來選取合適的電機(jī)；然后針對需求即電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制來設(shè)計相應(yīng)的電路，通過測試及matlab仿真得到的數(shù)據(jù)來檢驗設(shè)計電路的合理性與可靠性；從整體上來看整個系統(tǒng)是合理的，具體不足的是該部分設(shè)計沒有經(jīng)過長時間測試來判斷整個系統(tǒng)是否有其它的漏洞。通過該階段學(xué)習(xí)與該系統(tǒng)的設(shè)計我進(jìn)一步了解了電機(jī)性能與結(jié)構(gòu)的實質(zhì)上差異以及系統(tǒng)的了解了微控系統(tǒng)的組成；發(fā)現(xiàn)在該調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的過程也是在學(xué)習(xí)的過程。