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微飛行器用無刷直流電動機驅動控制系統

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:140

摘要:作為多旋翼微直升機的驅動器,微型無刷直流電動機具有結構簡單、制造方便、無換向火花等特點。文章根據微型飛行器的系統需求,設計并完成了一套可以實現旋翼驅動和上層計算機參數設置和控制的測試系統。該系統包括驅動、控制、通信、計算和反饋五部分,并基于DSP芯片TMS320LF2407。

0引  言

   旋翼微飛行器主要是通過改變旋翼拉力的大小以及旋翼槳盤的方向來控制飛行器的運動方向。大型旋翼飛機的拉力大小由總距控制;旋翼槳盤方向由周期變距控制。以上兩種控制方法由于機械結構復雜,所以無法在微型旋翼飛行器中適用。因此本文研究的多旋翼微直升機的驅動器采用無刷直流電動機,因為無刷直流電動機的轉速可以快速地調整,從而能夠通過改變旋翼轉速來改變和控制拉力大小。旋翼槳盤方向的改變,則可以采用新的旋翼飛行器設計結構,通過改變各個旋翼拉力的大小來調整旋翼槳盤方向,從而控制飛行器的飛行方向。

在設計中使用的無刷直流電動機是上海交通大學微納米科學技術研究院研制的電磁型微電機,其機電轉換效率也較高、并且便于調速,非常適合作為微直升機的驅動器,如圖1所示。四旋翼微飛行器的負載能力決定于單個微驅動器的負載能力。微飛行器對微驅動器的要求是尺寸小、重量輕,輸出力矩大、效率高,因此我們采用這種無刷直流電動機。

 圖1四旋翼微型直升機

DSP是上世紀80年代開發出來的新一代微處理器芯片,具有很強的指令系統和硬件支持;與單片機相比,它具有更加適合于數字信號處理的軟件和硬件資源,可用于復雜的數字信號處理。在微飛行器的實際應用中,DSP將實現以下幾個方面的功能:完成微飛行器的微電機的換相控制,使得其能按要求有規則的運轉;將采樣回來的反電動勢轉換成相應的速度信號,并進行速度環的運算;協調DSP控制器使得四個微電機的轉動和諧,根據控制要求調

節各微電機的速度以實現微飛行器的平穩飛行。

1控制系統硬件

  該驅動系統的硬件構成主要包括以下幾個部分:以DSP為核心的控制部分、四個電機驅動芯片L6234組成的驅動部分以及一些必要的外圍電路,如為了協調各電機速度的通信電路、存儲電路和電源電路等。系統框圖如圖2所示。

 圖2測試系統框圖

1.1 DSP核心

   為了實現圖2的控制系統,DSP被分為幾個功能模塊。微電機驅動模塊:DSP的I/O口將產生高低脈沖來驅動后面的電機驅動芯片L6234;速度測量模塊:DSP的A/D通道將接受測量所得的微電機的反電動勢值,并將接受值轉換成最終所需的微電機速度值。此外,還有仿真和程序下載模塊:DSP芯片上被裝有JTAG(Joint Test Action Group)標準測試接口及相應的控制器,從而不但能控制和觀察系統中處理器的運行,測試每一塊芯片,還可以用這個接

口下載程序,這為DSP的應用提供了很大的方便。此外,還設置了MP/MC的跳針和VCCP的跳針,這使得DSP在仿真模式和下載模式下很方便地進行切換。當選擇仿真模式的時候,VCCP引腳被接到5 V電壓上,跳針被置于MP模式下,即DSP處于微處理器狀態下,并從外部程序存儲器的0000 h開始執行程序。當選擇下載模式的時候,VCCP引腳可以被接到5V或0 V電壓上,跳針被置于MC模式下,即DSP處于微控制器狀態下。在程序下載完畢以后,運行時VCCP引腳必須接地,程序從I)SP內部程序存儲器(FLASH EEPROM)的0000 h開始執行。

1.2驅動芯片L6234在微飛行器中的應用

   在微飛行器的控制系統中,L6234將被用來驅動微電機的轉動。為了使微電機能高速運轉且能精確測量微電機的反電動勢,采用兩兩通電的控制方式。L6234從DSP的I/0口接受控制指令,并按指令所給的微電機通電規律驅動后面的微電機轉動。當然,驅動芯片L6234上還加上了電流測量電路和電壓測量電路。我們在芯片L6234的輸出管腳處加上了,一個分壓電路,分壓后的電壓值被送入到DSP的A/D轉換口以獲得各相之間的相電壓,然后DSP

將經過計算獲得反電動勢值。而同時將L6234的SENSE管腳作為電流的測量腳,以用來作為電流反饋,從而構成一個閉合的控制回路。

1.3串行通信接口模塊(SCI)

   在本文研究的控制系統中,串行通信被用來DSP與上位機電腦通信。該通信的目的有以下幾點:上位機可以比較容易地對飛行參數進行設置;方便微飛行器控制系統的調試;有助于將來藍牙方式的接人,可以較快地被替代為無線控制。在這個系統中,一些調整微直升機飛行姿態和飛行速度的控制指令將通過串行通信從電腦下達給DSP,然后DSP接收并馬上響應這些指令。它的具體應用為:電腦通過PCTXD的引腳經過MAX232的電平轉換把指令傳輸到DSP的RXD引腳上,同樣DSP通過TXD引腳經過MAX232的電平轉換把指令傳輸到電腦的PC RXD引腳上。

2控制系統軟件

2.1微電機驅動程序

   在整個下層軟件中最主要的是控制微電機轉動的DSP程序,其主要負責接收來自上位機的數據,其中包括從加速曲線采樣的加速點,起動電機,停止電機等信號。然后根據相應的信號控制微電機旋轉。在這個控制系統中,采用兩兩通電的方式來驅動微電機轉動。也就是說將采用一定的順序分別對微電機中的兩相通電。

由于本文控制系統中采用了專門的驅動芯片L6234來驅動微電機,所以DSP輸出的信號電平必須滿足L6234需要的電平,各個I/0口輸出的信號電平如圖3所示。

 圖3   L6234驅動的規律

   L6234對微電機每相的管理分為兩個部分:一部分是選通通電相(ENA),另一部分是選擇該通電相是正向導通還是反向導通(INA)。根據換相規律,我們很容易地得到如圖3所示的L6234.的驅動規律。

   DSP復位后,即進入主程序,首先進行DSP的初始化,然后等待上位機發來的命令。如果命令是下載數據,則將從串口讀出的用于加速的數據保存至內存中。收到運行的命令則按照剛接收到的數據控制電機換相,使電機旋轉。同時程序采用了DSP的三個定時器,分別負責控制換相、加速和設置臨時變量的時間。若收到停止命令,則通過I/0口輸出使電機停止。流程圖如圖4所示。

    圖4微電機的換相規律

2.2上層主機的軟件設計

上位機的軟件采用C++平臺編寫,主要實現編輯/顯示/保存加速曲線,采集曲線上的加速點,發送加速數據到DSP,發送電機起動/停止信號。軟件的界面如圖5所示。

   圖5上位機界面

界面中有四個窗口分別顯示四個電機的加速曲線,可以看出,對每條曲線來說,它是由窗口右邊列出的一些點組成的,按“下載”按鈕可以把加速曲線下載到DSP中,按“運行”和“停止”按鈕分別控制電機的旋轉和停止??梢酝ㄟ^菜單中的“文件”下的“保存”和“加載”分別從文本文件中保存和加載曲線。

 程序開始時進行初始化,設置串口的波特率等參數后打開串口,如果串口已被占用,打開失敗則退出。此后程序進入事件驅動模式,每當用戶按下界面上的一個按鈕或者點擊某一個菜單都會進入該事件的處理程序。因此,在用戶點擊“添加點”按鈕時,首先將被添加的點加入曲線的點隊列中,然后對所有的點按時間進行排序,最后按時間從小到大的將相鄰兩個點用直線連起來,刷新整條曲線。若用戶點擊某個窗口的“下載”按鈕,則處理程序首先對該條曲線按照事先規定好的時間間隔采樣,采樣的點進行數據轉換,即從轉速數據轉換成DSP的定時器計數器的數據,最后把數據按照協議打包,通過串口發送出去。其它的事件處理程序不再一一贅述。

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