直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速優(yōu)化

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(wú)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(dòng)能這一過(guò)程電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，于此同時(shí)電機(jī)的控制也要求越來(lái)越精確；越來(lái)越多的電子產(chǎn)品中用到電機(jī)；同時(shí)電機(jī)的種類也在增加，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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(wèn)題上，直流電機(jī)需要換向器換向，交流電機(jī)通過(guò)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(shí)也有著它們獨(dú)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(duì)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(guò)調(diào)整PWM控制晶閘管通斷實(shí)現(xiàn)斬波可以完成電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

1.2 直流無(wú)刷電機(jī)調(diào)速原理

直流無(wú)刷電機(jī)本質(zhì)是一個(gè)逆變電路加一個(gè)交流電機(jī)[6-7]。通過(guò)改變交流電源頻率來(lái)改變電機(jī)換向速度從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速[8]；與直流電機(jī)相比無(wú)刷電機(jī)的換向通過(guò)逆變的交流電來(lái)實(shí)現(xiàn)換向。

2 電機(jī)調(diào)速優(yōu)化

2.1 無(wú)刷電機(jī)調(diào)速方式

無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要六路高速控制信號(hào)來(lái)實(shí)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(lái)較為困難針對(duì)四路電機(jī)需要處理的數(shù)據(jù)較多，這樣會(huì)較大的占用mcu的運(yùn)行時(shí)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(dú)用一個(gè)mcu來(lái)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(lái)有多種方式，例如通過(guò)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(shí)時(shí)控制；這里用定時(shí)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(guò)接受固定頻率的PWM來(lái)進(jìn)行對(duì)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(dòng)部分，該部分主要由MOS管組成的一個(gè)三相的逆變電路，通過(guò)控制部分給該部分提供控制信號(hào)實(shí)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(shí)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(jià)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(shí)器TIM1，TIM2，TIM3[12].TIM1的四路通道以及TIM2的兩路通道用來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的MOS管通斷狀態(tài)；TIM3的一路通道用來(lái)采集飛控系統(tǒng)下發(fā)的速度指令；該系統(tǒng)工作時(shí)，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(shí)定時(shí)器采集采集飛控下發(fā)控制信號(hào)頻率計(jì)算保存后采集下發(fā)PWM脈寬，即PWM的占空比，通過(guò)計(jì)算分析下發(fā)速度大小；在電機(jī)剛啟動(dòng)和啟動(dòng)后該控制系統(tǒng)還要分析作對(duì)比避免電機(jī)無(wú)法直接啟動(dòng)。

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(dòng)部分加上無(wú)刷電機(jī)，電機(jī)的速度采集通過(guò)mcu的脈沖輸出頻率來(lái)計(jì)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(dòng)必須外加驅(qū)動(dòng)電路。

該系統(tǒng)由四旋翼中的mcu發(fā)送PWM波的控制信號(hào)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(hào)分析處理后得到電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，然后計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的交流頻率，將該交流頻率輸出送到驅(qū)動(dòng)再控制電機(jī)；另一方面電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)低時(shí)關(guān)斷控制信號(hào)，當(dāng)電機(jī)處于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)電源電壓與電流過(guò)低即欠點(diǎn)的情況下調(diào)速系統(tǒng)會(huì)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速實(shí)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(wú)刷電機(jī)調(diào)速部分包括控制部分，驅(qū)動(dòng)部分，無(wú)刷電機(jī)部分[13]；控制及驅(qū)動(dòng)部分已經(jīng)模塊化。

控制部分由于通過(guò)算法加入各種環(huán)境狀態(tài)下的控制命令不容易實(shí)現(xiàn)；所以直接對(duì)其處理做了正常狀態(tài)下轉(zhuǎn)速測(cè)試控制信號(hào)，即給定固定頻率和脈寬的信號(hào)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)六路脈沖信號(hào)頻率脈寬都相同初始相位不同，分別對(duì)應(yīng)控制驅(qū)動(dòng)的六路mosfet；驅(qū)動(dòng)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(hào)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(hào)的頻率時(shí)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(duì)四旋翼電機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)分析電機(jī)性能來(lái)選取合適的電機(jī)；然后針對(duì)需求即電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，通過(guò)測(cè)試及matlab仿真得到的數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)電路的合理性與可靠性；從整體上來(lái)看整個(gè)系統(tǒng)是合理的，具體不足的是該部分設(shè)計(jì)沒(méi)有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試來(lái)判斷整個(gè)系統(tǒng)是否有其它的漏洞。通過(guò)該階段學(xué)習(xí)與該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)我進(jìn)一步了解了電機(jī)性能與結(jié)構(gòu)的實(shí)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(jì)的過(guò)程也是在學(xué)習(xí)的過(guò)程。