直流調速系統調速優化

周婷婷，寧芳青，董理想，宛杰

（安徽工業大學電氣與信息工程學院，安徽馬鞍山，243032）

關鍵字：無刷電機；電子調速；MCU

0 引言

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

1 電機調速原理

1.1 有刷電機調速原理

直流電機調速現在多選用直流斬波調速，相對與其它調速方式斬波調速調速調速范圍寬; 電流波形系數好；附加損耗小;功率因數高。常見的斬波調速電路。通過調整PWM控制晶閘管通斷實現斬波可以完成電機轉速控制。

1.2 直流無刷電機調速原理

直流無刷電機本質是一個逆變電路加一個交流電機[6-7]。通過改變交流電源頻率來改變電機換向速度從而實現電機的調速[8]；與直流電機相比無刷電機的換向通過逆變的交流電來實現換向。

2 電機調速優化

2.1 無刷電機調速方式

無刷電機驅動需要六路高速控制信號來實現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需要處理的數據較多，這樣會較大的占用mcu的運行時間，為了提高四旋翼控制系統的工作效率以及電機的控制精度，將電機的控制單獨用一個mcu來控制，然后與四旋翼控制系統聯系起[10]。

將該電機調速系統與四旋翼控制系統聯系起來有多種方式，例如通過串口的方式將要下發的轉速指令給電機調速系統；但由于串口發送指令較為緩慢所以不適合實時控制；這里用定時器發送固定頻率的PWM波代替串口發送速度值；電機調速系統通過接受固定頻率的PWM來進行對電機速度的控制[11]。

2.2 電機調速系統系統搭建

電機調速系統整體包括兩部分，一部分為電機驅動部分，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直流電到交流電的轉換；另一部分是電機控制部分，該部分主要由單片機實現電機速度讀取，以及電機速度控制，該部分也是該調速系統的核心。

該部分主要為stm8s105k4t6單片的最小系統組成，考慮到該控制系統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驅動部分的MOS管通斷狀態；TIM3的一路通道用來采集飛控系統下發的速度指令；該系統工作時，TIM3采集到飛控系統下發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控制信號頻率計算保存后采集下發PWM脈寬，即PWM的占空比，通過計算分析下發速度大小；在電機剛啟動和啟動后該控制系統還要分析作對比避免電機無法直接啟動。

2.3 電機調速系統整體框架

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

該系統由四旋翼中的mcu發送PWM波的控制信號與調速系統中的mcu通信；調速系統將采集的控制信號分析處理后得到電機的目標轉速，然后計算目標轉速對應的交流頻率，將該交流頻率輸出送到驅動再控制電機；另一方面電機驅動將自己輸出的電源電壓與電流發送到調速系統的mcu中當調速系統采集的反饋值過低時關斷控制信號，當電機處于高速旋轉時驅動電源電壓與電流過低即欠點的情況下調速系統會適當降低轉速實現四旋翼的降落與停止。

3 電機調速系統simulink仿真

無刷電機調速部分包括控制部分，驅動部分，無刷電機部分[13]；控制及驅動部分已經模塊化。

控制部分由于通過算法加入各種環境狀態下的控制命令不容易實現；所以直接對其處理做了正常狀態下轉速測試控制信號，即給定固定頻率和脈寬的信號來控制驅動六路脈沖信號頻率脈寬都相同初始相位不同，分別對應控制驅動的六路mosfet；驅動部分為完整部分，該系統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。

最后打開電機轉速波形圖，在一定范圍內增大負載及扭矩電機轉速依然恒定，與自己的希望達到的理想狀態相同具體轉速如下。

在多次改變控制信號的頻率時仿真結果與期望狀態相差不大，轉速改變且轉速依然平穩。

4 結論

本文主要針對四旋翼電機轉速控制進行優化，通過分析電機性能來選取合適的電機；然后針對需求即電機轉速的精確控制來設計相應的電路，通過測試及matlab仿真得到的數據來檢驗設計電路的合理性與可靠性；從整體上來看整個系統是合理的，具體不足的是該部分設計沒有經過長時間測試來判斷整個系統是否有其它的漏洞。通過該階段學習與該系統的設計我進一步了解了電機性能與結構的實質上差異以及系統的了解了微控系統的組成；發現在該調速系統設計的過程也是在學習的過程。