設計采用ATMEGA16單片機作為控製核心，利用反電勢過零點檢測輪流導通驅動電路的6個MOSFET實現換向；直流無刷電機控製程序完成MOSFET上電自檢、電機啟動軟件控製，PWM電機轉速控製以及電路保護功能。

近(jin)年(nian)來(lai)，四(si)軸(zhou)飛(fei)行(xing)器(qi)的(de)研(yan)究(jiu)和(he)應(ying)用(yong)範(fan)圍(wei)逐(zhu)步(bu)擴(kuo)大(da)，它(ta)采(cai)用(yong)四(si)個(ge)無(wu)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)作(zuo)為(wei)其(qi)動(dong)力(li)來(lai)源(yuan)。無(wu)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)為(wei)外(wai)轉(zhuan)子(zi)結(jie)構(gou)

，直(zhi)接(jie)驅(qu)動(dong)螺(luo)旋(xuan)槳(jiang)高(gao)速(su)旋(xuan)轉(zhuan)。

無wu刷shua主zhu流liu電dian機ji的de驅qu動dong控kong製zhi方fang式shi主zhu要yao分fen為wei有you位wei置zhi傳chuan感gan器qi和he無wu位wei置zhi傳chuan感gan器qi的de控kong製zhi方fang式shi兩liang種zhong。由you於yu在zai四si軸zhou飛fei行xing器qi中zhong的de要yao求qiu無wu刷shua直zhi流liu電dian機ji控kong製zhi器qi要yao求qiu體ti積ji小xiao、重量輕、高效可靠，因而采用無位置傳感器的無刷直流電機。本文采用的是朗宇X2212 kv980無刷直流電機。

無刷直流電機驅動控製係統包括驅動電路和係統程序控製兩部分。采用功率管的開關特性構成三相全橋驅動電路，之後使用DSP作為主控芯片，借助其強大的運算處理能力
，實現電機的啟動與控製，但電路結構複雜成本高，缺乏經濟性。

直(zhi)流(liu)無(wu)刷(shua)電(dian)機(ji)的(de)換(huan)向(xiang)采(cai)用(yong)反(fan)電(dian)勢(shi)過(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)法(fa)
，一(yi)旦(dan)檢(jian)測(ce)到(dao)第(di)三(san)相(xiang)的(de)反(fan)電(dian)勢(shi)過(guo)零(ling)點(dian)就(jiu)為(wei)換(huan)向(xiang)做(zuo)準(zhun)備(bei)。反(fan)電(dian)勢(shi)過(guo)零(ling)檢(jian)測(ce)采(cai)用(yong)虛(xu)擬(ni)中(zhong)性(xing)點(dian)的(de)方(fang)法(fa)，通(tong)過(guo)檢(jian)測(ce)電(dian)機(ji)各(ge)相(xiang)的(de)反(fan)電(dian)勢(shi)過(guo)零(ling)點(dian)來(lai)判(pan)斷(duan)轉(zhuan)子(zi)位(wei)置(zhi)。而(er)基(ji)於(yu)電(dian)機(ji)三(san)相(xiang)繞(rao)組(zu)端(duan)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)規(gui)律(lv)的(de)電(dian)機(ji)電(dian)流(liu)換(huan)向(xiang)理(li)論(lun)，可(ke)以(yi)大(da)大(da)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)。

本文無刷直流電機的驅動電路采用三相六臂全橋電路
，控製電路的管理控製芯片采用ATmega 16單片機實現
，以充分發揮其高性能
、資源豐富的特點
，因而外圍電路結構簡單。無刷直流電機采用軟件啟動和PWM速度控製的方式
，實現電機的啟動和穩定運行，大大提高四軸飛行器無刷直流電機的調速和控製性能。

1 三相六臂全橋驅動電路

無刷直流電機驅動控製電路如圖1 所示。該電路采用三相六臂全橋驅動方式，采用此方式可以減少電流波動和轉矩脈動，使得電機輸出較大的轉矩。在電機驅動部分使用6個功率場效應管控製輸出電壓
，四軸飛行器中的直流無刷電機驅動電路電源電壓為12 V.驅動電路中，Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305(P溝道)
，Q4~Q6為IRFR1205(N 溝道)。該場效應管內藏續流二極管
，為場效應管關斷時提供電流通路
，以避免管子的反向擊穿，其典型特性參數見表1.T1~T3 采用PDTC143ET 為場效應管提供驅動信號。

由圖1 可知，A1~A3 提供三相全橋上橋臂柵極驅動信號
，並與ATMEGA16單片機的硬件PWM驅動信號相接，通過改變PWM信號的占空比來實現電機轉速控製;B1~B3提供下橋臂柵極驅動信號，由單片機的I/O口直接提供，具有導通與截止兩種狀態。

無刷直流電機驅動控製采用三相六狀態控製策略，功率管具有六種觸發狀態，每次隻有兩個管子導通，每60°電角度換向一次，若某一時刻AB 相導通時，C 相截至，無電流輸出。單片機根據檢測到的電機轉子位置，利用MOSFET的開關特性
，實現電機的通電控製，例如，當Q1、Q5 打開時，AB 相導通
，此時電流流向為電源正極→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負極。類似的，當MOSFET 打開順序分別為Q1Q5,Q1Q6,Q2Q6,Q2Q4,Q3Q4,Q3Q5時，隻要在合適的時機進行準確換向

，就可實現無刷直流電機的連續運轉。
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2 反電勢過零檢測

無刷直流電機能夠正常連續運轉，就要對轉子位置進行檢測，從而實現準確換向。電機轉子位置檢測方式主要有光電編碼盤、霍爾傳感器

、無感測量三種方式.由於四軸飛行器無刷直流電機要求係統結構簡單
、重量輕，因而采用無位置傳感器的方式

，利用第三相產生的感生電動勢過零點時刻延遲30°換向。雖然該方法在電機啟動時比較麻煩
，可控性差
，但由於電路簡單

、成本低，因而適合於在正常飛行過程中不需要頻繁啟動的四軸飛行器電機。

由於無刷直流電機的兩相導通模式
，因而可以利用不導通的第三相檢測反電勢的大小。如圖2反電勢檢測電路
，中性點N 與單片機的AIN0 相接

，Ain,Bin,Cin分別接單片機的ADC0,ADC1,ADC2.不停地比較中性點N電壓與A,B,C三相三個端點電壓的大小，以檢測出每相感生電動勢的過零點。ATMEGA16單片機模擬比較器的正向輸入端為AIN0,負向輸入端根據ADMUX寄存器的配置而選擇ADC0,ADC1,ADC2,從而利用了單片機自帶的模擬比較器的複用功能。當A,B相通電期間，C相反電勢與中性點N進行比較
，類似的，就可以成功檢測出各相的過零事件。 電機的反電勢檢測出來後，就可以找到反電勢的過零點
，在反電勢過零後延遲30°電角度進行換向操作。

3 控製程序設計

3.1 驅動控製電路上電自檢

無刷直流電機驅動控製部分包括MOSFET 自檢、電機啟動控製和電壓電流監測功能3部分。驅動控製電路的上電自檢流程如圖3 所示
，包括MOSFET 短路特性與導通特性測試、以防止過流損壞電路。

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3.2 軟件啟動控製

fandianshijiancefazhiyouzaidianjizhengchangyunzhuanhoucainengjinxing，dangdianjibuzhuanhuozhuansuhendishi，qifandianshiwufajiance，yinercaiyongruanjianqidongdefangshi。zhenduiwuweizhichuanganqiwushuazhiliudianjidekongzhi，benwencaiyongsanbuqidongdefangfa，shouxian，geiA,B相通電一段時間以固定電機轉子位置;六狀態輪流換向，通電時間逐步減少;檢測第三相的反電勢，若正常則啟動成功，否則重新啟動。具體的啟動流程如圖4所示。

3.3 係統保護功能設計

四軸飛行器的係統保護功能包括電壓

、電流監測功能。電池電壓監測功能電路：通過簡單的分壓電路將電池電壓降到單片機A/D 轉換允許的輸入範圍內(0~5 V)
，通過電壓監測防止電壓不足時電機停轉;電流檢測功能電路：通過0.01 Ω電阻采樣電流，轉化為電壓
，送到單片機的A/D轉換口
，以防止發生故障時大電流損壞電路。在電流監測時，采用簡單的數值平均濾波方式
，減弱瞬時峰值電流對測量結果的影響。

結語

本文實現四軸飛行器的直流無刷電機的驅動電路和係統控製軟件程序設計。驅動電路采用三相六臂全橋電路，MOSFET 作為開關元件，利用ATmega 16 單片機作為控製芯片
，反電勢過零檢測以及軟件啟動的控製方式
，並延遲30°進行換向。正常啟動後

，單片機輸出PWM 實現無刷直流電機轉速調節。同時設計了電壓、電流監測電路，保證係統安全，因而

，該係統能夠正常驅動無位置傳感器無刷直流電機，並且能夠應用於四軸飛行器。

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