【无人机系统】四轴飞行器及其UAV飞控系统 - 桂林电子科技大学信息科技学院 电子工程系（一）
桂林电子科技大学信息科技学院- 电子工程系
- 设计概述(PreliminaryPaper)
- 功能描述(Final Project Paper)
- 无刷电机电子调速器设计
- 什么是无感无刷电机
- 驱动臂构建
- 1.3电机换向和启动
- 1.4堵转保护和开机自检
转自：
四轴飞行器及其UAV飞控系统 - 桂林电子科技大学信息科技学院 电子工程系嗯 ，这篇论文看样子飞控什么电路都是自己搭建的，觉得有比较大的参考意义吧，现在基本上是往底层这边靠近了
设计概述(PreliminaryPaper)
当前世界上主流的飞行器，基本分为两大类：固定翼飞行器和旋翼飞行器，大家熟知的直升机即属于旋翼飞行器的一种.其最大特色是能完成空中悬停的动作.但直升机为保持平衡和完成操控着要求的动作，需要非常复杂的旋翼机械结构，同时要通过在尾部加装额外的旋翼防止主桨的反作用力造成自旋.这极大地增加了其设计制造难度和维护成本。
上图为一种直升机主桨旋翼头结构的示意图，从图上可以看出，即便没有副翼系统，旋翼头的机械结构依然非常复杂，其制造和维护难度可想而知。因此在电子技术高度发达的今天，有必要设计一种新型飞行装置，依靠机载电子设备取代部分机械结构，在以不损失飞行器性能为前提下降低生产和维护成本.因此我们选择了四轴飞行器，以其为基础开发专用的飞行控制系统。四轴飞行器具有类似直升机的飞行性能，可以在空中悬停.但机械机构相对直升机要简单很多.其维持机身平衡的任务全部由机载电子设备完成，因此极大的降低了整机的生产成本和维护复杂度.四轴飞行器有用四个螺旋桨，每个螺旋桨的桨距都是固定不变的，因此省去了复杂的旋翼头结构.需调整四个臂中某一臂的升力时，只需相应改变其电机转速即可。下图为我们设计的四轴飞行器实物。
为维持机身平衡稳定，电子控制部分采用3轴陀螺仪和3轴加速度传感器组成捷联惯性导航系统 ( I M U ) , 通过Altera可编程逻辑器件强大的并行处理能力和灵活的IP组合方式，加之Niosll 软核的有力支持，飞行器可实时计算出姿态变化并自动作出调整.结合上位机给出的用户指令，系统可出色完成飞行器的控制任务。因控制过程全部由电子系统根据实际情况自动调整，在制作过程中，对飞行器的中心，对称性，螺旋桨及电机性能一致性都没有很高要求.这对降低设计难度和量产品质控制有很大意义.四轴飞行器作为一种稳定的飞行平台，可搭载航拍系统，空投系统等等，在军用领域，四轴飞行器可用作战地无人侦查、定点轰炸.民用领域可用作抢险救灾、航拍、代替人完成危险工程等用途。因其很容易小型化和定制，在诸多领域皆有较大的发展前景.
功能描述(Final Project Paper)
无刷电机电子调速器设计
什么是无感无刷电机
设计中采用三相无感无刷电机，无感无刷电机是一种交流电动机，内部绕组作为定子，采用三相对称星形接法，引出三根线。如下左图所示
外部转子的内侧固定了多组永磁体，在内部绕组某两项分别接通源与地时，产生的磁场会将转子拉至一个稳定的位置，如上右图。因此简单地说，想让无刷电机转起来，就是在这三根线上不停地切换通电状态，产生一个"旋转”的磁场，并带动外转子转动。这个过程需要一个驱动电路。这个电路就是无刷电机电子调速器，简称无刷电调。
驱动臂构建
驱动桥上臂MOS管选用IRFR5305,这是IR公司生产的一种PMOS管，它具有导通电阻小、开 关速度快、可通过电流大等特点。下臂采用该公司的IRFR1205 NMOS管与之搭配，值得说明的 是，IRFR5305和IRFR1205都内置了反向续流二极管，因此在驱动电机等感性负载时可减少电路 的复杂程度：提高可靠性。
根据芯片手册，PMOS开启电压Vgs应达到-2V到4 V ,在供电电压为12V时,考虑到MCU驱动 能力，上臂栅极连接了一个NPN三极管作为驱动。而下臂开启Vgs为2V到4 V ,直接连接MCU引脚 即可。上述电路中。其中R27可以减小下臂NMOS栅极电容充放电电流，同时防止MOS管关断时 被瞬间增大的Vds击穿。R30与R33分别为PM。S栅极上拉和NMOS栅极下拉电阻，它们的作用是
防止在系统上电时，瞬态的上下臂导通，提高系统稳定性。R9为三极管基极限流电阻
1.3电机换向和启动
假设某一刻 A臂导通 B 臂 浮空，因为电机转子上的永磁体位移，C项位于电机内部的绕组切割永磁体磁场产生了正向感应电 动势，叠加在AB项中点电压6V之上必然大于6 V ,通过仿真可知此时BUIM电势略小于EC点电势. 随着电机转动，永磁体的位置也在改变，当磁场渐渐变弱，绕组切割永磁体磁场产生的正向感应 电动势变小，并最终达到临界时，感应电动势为0V时，BUIM电势等于EC电势.此后电机由于惯 性还在转动，但转子上下一块永磁体的极性是相反的，因此C项开始产生反向感应电动势，叠加后 上图电路内C位置电势将小于6 V .此时BUIM电势将会大于EC电势.由此可见，当BIJIM电势等于 浮空项电势时，即是比较合适的换相时机.此时把B项变为高阻，C项下臂导通接地.下一个周期 用同样方法比较EB与BIJIM电势关系即可.在ATMEGA8单片机内部提供了模拟比较器，将BIJIM 和EA, EB, EC接入相应引脚，通过程序实现过零点捕捉.即可完成电机换相。
通过上面分析我们可以看出，当电机正在运转时，换相时机是根据浮空相的反馈确定的。但 是在启动时，电机并没有转动或者转速非常慢，这种情况下浮空相上的电势基本没有参考价值， 因此，我们还需要一套启动算法，大致的思路是，先不管反馈，把无刷电机当成步进电机，通过 强制换相产生一个不断加速的”旋转”磁场，并希望转子跟随这个磁场转动，当转子达到足够产生反 馈的速度时，使能上述比较策略便可切入闭环控制
1.4堵转保护和开机自检
电机的换相是个自动过程，而调速是通过改变驱动臂的PWM占空比完成的。当电机启动失败
或是其他原因导致堵转时，高占空比的输出对于驱动臂来说是毁灭性的。为了避免这种情况的发
生，我们加入了堵转保护策略：当电机应当在运转，却迟迟没有进入换相中断时，电调便关断驱
动臂，并根据情况判断是否需要重新启动。
同样基于保护目的我们编写了一套基于电压采样的自检算法，保证起飞前各MOS管工作正
常，这套算法可以实现电调板自动测试每只MOS管的各项性能、锁定故障点并上报主控板，所用
到的检测电路依旧为感应电动势采集网络。这套算法可以检测的错误几乎包括了所有将导致严重
后果的MOS管故障：
*上臂短路
*上臂断路
*上臂导通不佳
*上臂关断不佳
*下臂短路
*下臂短路或导通不佳
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