CN204465395U - 一种应用于四翼无人机的无刷直流电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的本实用新型公开了一种应用于四翼无人机的无刷直流电机驱动装置，包括三相全桥驱动电路、电压传感器、电流传感器、DSP控制器。电压传感器的输入端口连接电机端口，输出端口连接DSP的AD端口，用于检测相电压；同样电流传感器的输入端口连接电机端口，输出端口连接DSP的AD端口，用于检测线电流；DSP的I/O端口连接三相全桥驱动电路的控制端口，控制电机的换相。克服了电机本体中点与重构的电机中点的电位并不总是相等的问题，去除了电机中点重构电路，使得控制结构更加简单，电机换相更加稳定可靠，增强了飞行器运行的安全可靠性。

Description

一种应用于四翼无人机的无刷直流电机驱动装置

技术领域

本实用新型属于飞行器技术领域，具体涉及一种应用于四翼无人机的无刷直流电机驱动装置。

背景技术

近年四翼飞行器得到快速发展，进行四翼飞行器的设计必须遵循以下原则：重量轻、尺寸小、运行稳定可靠、能耗和成本低。要实现以上要求，关键技术在于飞行器电机的选择与控制，其中无刷直流电机具有低噪声、运行平稳、高可靠性、体积小、功耗低、控制简单和价格便宜等优点，已渐渐成为四翼飞行器电机的主流选择。而在无刷直流电机BLDCM控制方式中，反电动势法是目前无位置传感控制方法中技术最成熟、最有效和应用最为广泛的一种方法，但传统的反电动势法需要电机中点重构电路和深度滤波电路，电机本体中点与重构的电机中点的电位并不总是相等，并且由于深度滤波电路和开关噪声等原因容易产生反电动势误过零信号和相位延迟。

为了解决上述反电动势法存在的问题，本专利对传统驱动电路进行改进，提出一种新型无刷直流电机驱动装置，利用直接反电动势方法，去除了传统的电机中点重构电路，取而代之的是电压电流检测电路，在硬件上使电机控制系统结构更加简单，在性能上增强了飞行器电机运行的稳定可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种应用于四翼无人机的无刷直流电机驱动装置，该装置结构简单，在性能上增强了飞行器电机运行的稳定可靠性。

为此，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种应用于四翼无人机的无刷直流电机驱动装置，其特征在于：包括三相全桥驱动电路、电压传感器、电流传感器和DSP控制器；

所述电压传感器的输入端口连接无刷直流电机端口，电压传感器的输出端口连接所述DSP控制器的AD端口，用于检测相电压；

所述电流传感器的输入端口连接无刷直流电机端口，电流传感器的输出端口连接所述DSP控制器的AD端口，用于检测线电流；

所述三相全桥驱动电路的输出端口连接无刷直流电机端口，三相全桥驱动电路的控制端口连接所述DSP控制器的I/O端口，由DSP控制器控制换相；

所述DSP控制器通过控制所述电压传感器和电流传感器，获取所述无刷直流电机的线电压和相电流，利用直接反电动势算法，实时在线捕捉无刷直流电机的线反电动势过零点，以控制所述三相全桥驱动电路进行换相。

所述的电压传感器采用WBV412D01交流电压传感器。

所述的电流传感器采用ACS712。

所述的DSP控制器为Microchip公司的dspPIC30F6010。

本实用新型的优点是：采用直接反电动势算法实现无刷直流电机的换相，与传统反电动势法相比较，克服了电机本体中点与重构的电机中点的电位并不总是相等的问题，去除了电机中点重构电路，使得控制结构更加简单，电机换相更加稳定可靠，并且电压电流检测电路可以对电机运行情况进行监测，防止电流过大烧毁电机、电池电压不足使飞行器摔坏等故障发生，增强了飞行器运行的安全可靠性。

下面结合附图和实施例对本实用新型做详细说明。

附图说明

图1是一实施例提供的应用于四翼无人机的无刷直流电机驱动装置的结构图。

图2为线反电动势过零点与换相点位置关系图。

附图标记说明：1—DSP控制器，2—三相全桥驱动电路，3—无刷直流电机BLDCM，4—WBV412D01交流电压传感器，5—电流传感器ACS712。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型进行进一步的详细说明

为了便于理解本装置原理，首先对直接反电动势控制算法进行简要介绍：

传统反电动势法是在一个电周期内，检测出三相反电动势的六个过零点，如图2，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z₅和Z₆六个相反电动势过零点，再分别延迟30°电角得到六个关键的换相点。

但传统的反电动势法需要对电机中点进行重构并需要深度滤波电路，实际上电机本体中点与重构的电机中点的电位并不总是相等，并且由于深度滤波电路和开关噪声等原因容易产生反电动势误过零信号和相位延迟。

直接反电动势法利用无刷直流电机BLDCM的线反电动势的过零点与电机换相点一致这一原理，如图2，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆六个线反电动势过零点，也正是电机的六个关键换相点，只要准确检测出线反电动势的过零点，即可获取换相点。

如图1，直接反电动势法去除了电机中点重构电路，直接通过电压电流传感器获取两路线电压(u_ab、u_bc)和两相相电流(i_a、i_b)，利用公式u_ab+u_bc+u_ca＝0计算出u_ca，利用公式i_a+i_b+i_c＝0计算出i_c，通过以下公式计算出线反电动势：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{ca}}=u_{\mathrm{ca}}-{\mathrm{Ri}}_c\\ e_{\mathrm{bc}}=u_{\mathrm{bc}}-{\mathrm{Ri}}_b\\ e_{\mathrm{ab}}=u_{\mathrm{ab}}-{\mathrm{Ri}}_a\end{array}\right.$  (正转)

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{ca}}=u_{\mathrm{ca}}+{\mathrm{Ri}}_a\\ e_{\mathrm{bc}}=u_{\mathrm{bc}}+{\mathrm{Ri}}_c\\ e_{\mathrm{ab}}=u_{\mathrm{ab}}+{\mathrm{Ri}}_b\end{array}\right.$  (反转)

式中e_ca、e_bc和e_ab分别表示电机的线反电动势，u_ca、u_bc和u_ab分别表示电机的线电压，i_a、i_c和i_b分别表示三相的相电流，R为定子电阻。通过计算电机的线反电动势e_ca、e_bc和e_ab，即可实时在线捕捉电机的6个关键换相点，控制三相全桥驱动电路进行换相，实现电机稳定运转。

由直接反电动势控制算法可知，本装置由三相全桥驱动电路(图1中所示的三相全桥逆变器)、电压传感器、电流传感器和DSP控制器组成，其中：

三相全桥驱动电路采用典型的逆变电路，可利用功率型MOS管作为开关器件(如图2所示，主要有VT1～VT6六个功率器件组成)，使用MOS管FD6637，FD6637的开关利用三极管9013进行驱动；或者采用三菱IPM逆变器模块PM30CSJ0160。本方案设计最大容量电流为30A,也可以根据四翼无人机的实际功率选择其他三相全桥驱动电路器件。

电压传感器选用WBV412D01电压传感器，具有高精度、低功耗和体积小等特点，符合四翼无人机尺寸小、重量轻的要求，此传感器输入范围可选择AC0～50V,输出直流电压DC0～5V，输出端口可直接连接控制器A/D模数转换端口，准确度等级达0.2。

电流传感器选择ACS712，小尺寸，低姿态SOIC8包装，5V单电源供电，最大输入电流可达30A，符合四翼无人机电机工作电流范围要求，输出直流电压DC0～5V，输出端口可直接连接控制器A/D模数转换端口。

DSP控制器选用Microchip公司的dspPIC30F6010，它是一款高性价比的DSP芯片，由图1可知，其包含PI控制器、集成了四通道A/D模数转换通道，可直接转换电压电流传感器采集到的线电压和相电流数据；控制器主要负责通过线反电动势估算转子位置、电机换相控制(信号)、PWM控制、速度计算和速度控制，并且可以和无人机中心控制器通信，接受速度控制命令和上传电机运转状况信息。

本实用新型采用的电子元器件均为已知产品，本领域技术人员根据本实用新型的技术方案即可知电子元器件的具体连接方式。

Claims (4)

1.一种应用于四翼无人机的无刷直流电机驱动装置，其特征在于：包括三相全桥驱动电路、电压传感器、电流传感器和DSP控制器；

所述电压传感器的输入端口连接无刷直流电机端口，电压传感器的输出端口连接所述DSP控制器的AD端口，用于检测相电压；

所述电流传感器的输入端口连接无刷直流电机端口，电流传感器的输出端口连接所述DSP控制器的AD端口，用于检测线电流；

所述三相全桥驱动电路的输出端口连接无刷直流电机端口，三相全桥驱动电路的控制端口连接所述DSP控制器的I/O端口，由DSP控制器控制换相；

所述DSP控制器通过控制所述电压传感器和电流传感器，获取所述无刷直流电机的线电压和相电流，利用直接反电动势算法，实时在线捕捉无刷直流电机的线反电动势过零点，以控制所述三相全桥驱动电路进行换相。

2.如权利要求1所述的应用于四翼无人机的无刷直流电机驱动装置，其特征在于，所述电压传感器为WBV412D01交流电压传感器。

3.如权利要求1所述的应用于四翼无人机的无刷直流电机驱动装置，其特征在于，所述电流传感器为ACS712。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的应用于四翼无人机的无刷直流电机驱动装置，其特征在于，所述DSP控制器为Microchip公司的dspPIC30F6010。