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摘 要

研究了一种基于单片机和MOSFET驱动器的小型旋翼飞行器用直流无刷电机控制实现方案。以ATmega8作为系统单片机，利用片内模拟比较器，通过比较电机非导通绕组的反电动势与虚拟中点电压得到过零点时刻，并延迟30度电角度作为电机换相时刻。利用MOS管设计了三相全桥驱动电路，采用单边PWM控制方式来调速电机，采用三段式启动方法实现了电机的软件启动。

软件和硬件相互配合达成了MOS管自检、过流保护、欠压保护的功能，提高了系统的安全性和稳定性。

关键词：无刷直流电机；调速；小旋翼飞行器；软启动

Abstract

Small quadrotor was proposed based micro controller and MOSFET drive brushless DC motor control implementation .ATmega8 was used to control the whole system. Comparing the non-conducting winding back-EMF voltage and the virtual midpoint voltage by the on-tip analog comparator, the zero crossing time can be obtained. The three-phase bridge driver circuit using MOS was designed. The motor was controlled by the signal and started by three-step soft start.

The system had some protection methods such as MOS detection, under voltage protection.

Key words: brushless DC motor; motor speed control; quadrotor; soft start

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题背景及研究的背景和意义 1

1.2四旋翼飞行器的简介、发展和趋势 2

1.3 无刷直流电机发展概述 4

1.4主要研究内容 4

第二章 四旋翼飞行器电子调速器的驱动电路设计 6

2.1三相全桥驱动电路设计 6

2.2电流电压检测电路设计 9

2.3反电势过零检测电路 12

2.4电路板的制作 13

第三章 无刷电子调速器的软件设计 16

3.1电流检测 17

3.2定时器延时与PWM信号 17

3.2.1定时器的初始化 17

3.2.2定时器T0的溢出中断服务程序 17

3.2.3利用T0延时（毫秒级） 18

3.2.4利用T0延时（微妙级） 18

3.2.5PWM的信号产生 18

3.3过零事件检测与电机换相 18

3.3.1BLMC.c中定义的宏 18

3.3.2过零检测与换相代码分析 20

3.4启动算法 21

3.4.1启动原理 21

3.4.2函数Anwerfen启动流程分析 21

3.5上电时的MOSFET自检 23

3.5.1函数Delay和DelayM 23

3.5.2函数MotorTon自检流程分析 24

第四章 系统测试及结果分析 25

第五章 总结与展望 26

5.1总结 26

5.2展望 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1课题背景及研究的背景和意义

小旋翼飞行器可以用于国家安防事业、满足民间用途需求，还可以开发和利用太空资源、进行太空操作和试验等，所以国内外对无人小旋翼飞行器进行了深入研究。对无人飞行器的研究目前主要包括旋翼式飞机、直升机、软式小型飞船以及其它飞行器等。比较于有驾驶员的飞行器，无人飞行器包含很多优点。其灵活度高，具有快速改变姿态的能力；外型小，具有高度的机动性；避免了驾驶员在非安全环境中作业等等，这几年无人飞行器在军事和民用领域发展迅捷。小型无人飞行器可分为固定翼和旋翼机两种。固定翼飞行器出现的时间较早，技术相对完善，但是比较于其他需要在较小维度内执行任务的情况，固定翼飞行器灵活性差的缺陷往往使其无法完成，而旋翼飞行器则改善了这一缺点，由于外形小，轻便灵活，旋翼飞行器可以在很小的空间实现垂直升降、全视角飞行及目标上方盘旋，故在执行监管和侦测类任务时，旋翼式飞行器更加适合。

四旋翼飞行器属于旋翼机的一种，比较于其他类型的飞行器，四旋翼飞行器采用四个单独电机提供动力，旋翼数目多，能产生更大的升力，且其机身倾斜角度固定，在飞行过程中不需要通过调节倾角来改变飞行速度及姿态，简化了飞行器的结构，减轻了机架重量。飞行器四个螺旋浆产生的动力能更好的实现飞行器的静态盘旋，可以在空中静止的状态下迅速改变其姿态，有很高的灵活性和很好的承载力。四旋翼飞行器的各种优点，致使其成为当下人们钻研的热点。无刷直流电动机既具有运转效率高、调节功能好，同时又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维修便捷的优点，是电机主要发展方向之一，如今成功应用于军事、航天、计算机、机器人和电动自行车等多个领域。在该四旋翼飞行器上使用了新西达2217外转子式无刷直流电机，其结构为12绕组7对磁极，典型KV值为1400。在各种无位置传感器控制方法中，反电动势法是目前技术最为成熟、应用最广泛的一种位置检测方法。本系统采用的反电动势过零检测法是反电动势法中的一种，通过检测各相绕组反电动势的过零点来判断转子的位置。根据无刷直流电机的特性，电机的最佳换向时刻是相反电动势过零点延迟30°电角度的时刻，而该延迟的电角度对应的时间可以根据两次过零点时间间隔计算得到。

近几年来，随着计算机、密集性高的电源、不分散小型驱动和微电子机械传感器的发展以及与之相关的此类系统成本的下降，四旋翼飞行器的迷你化和商业化逐渐成为成型的重要方向，其不表露的巨大商业潜能也逐渐显现。在这样的情况下，如何能够解决四旋翼飞行器在控制过程中的诸多难题，为其军用和民用市场的应用开辟道路，成为关注的热点，这也是本文的研究意义所在。

1.2四旋翼飞行器的简介、发展和趋势

四旋翼微型飞行平台呈十字形交叉，由4个独立电机驱动螺旋桨组成，如图1-1所示。当飞行器工作时，平台中心对角的螺旋桨(如1与3)转向相同，相邻的螺旋桨(如1与2)转向相反。同时增加减小4个螺旋桨的速度，飞行器就垂直上下运动；相反的改变中心对角的螺旋桨的速度，可以产生滚动、俯仰等运动。

图1-1 四旋翼飞行器结构图

四旋翼飞行器的控制系统分为两个部分，飞行控制系统与无刷直流电机调速系统。飞行控制系统通过IMU惯性测量单元(由陀螺传感器与加速度传感器组成)检测飞行姿态，通过无线通信模块与地面遥控器通信。4个无刷直流电机调速系统通过I2C总线与飞行控制器通信，通过改变4个无刷直流电机的转速来改变飞行姿态，系统采用12 V电池供电，控制系统结构图如图1-2所示。

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