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摘要：為了消除無刷直流電機的脈動轉矩、振動和噪聲大等缺點，使其滿足無人機系統的需求，設計了一種基于滑模觀測器的無刷直流電機矢量控制系統。該系統在使用雙閉環矢量控制的情況下，加入了基于滑模觀測器的無位置傳感器，最后和無人機自駕儀進行連接。通過在無人機上的實際應用，該控制系統消除了無刷直流電機的脈動轉矩，所設計的無位置傳感器估計誤差小、啟動速度快、抖動小，適用于多種起飛方式。此外，其恒速運行平穩，加減速過渡平滑，可以滿足無人機的高機動飛行要求，適合在無人機上使用。

關鍵詞：無刷直流電機；矢量控制；滑模觀測器；無人機

引言

無刷直流電機在低速轉矩、運行效率、轉速精度、調速性能等方面具有無可比擬的優勢[1]。此外，無刷直流電機還具有體積小、重量輕、功率大、耐用性強、轉矩特性優異等優點[2]，因此在需要具備高敏調速轉向特性的無人機上有著廣泛的應用。無人機上的無刷直流電機大部分采用方波控制算法，在該算法控制下，控制系統只需要判斷反向電動勢是否過零點，若過零點則對控制電路進行“通”、“斷”操作，在使用過程中，這種控制策略存在脈動電流峰值大、產生脈動轉矩、振動和噪聲大、低速和啟動性能差等缺點[3]，這些缺點會降低無人機飛行的穩定性、安全性，還可能出現電機原地抖動、發熱、無法啟動等不正常現象。無人機在設計時往往對電機的重量、體積、效率、功率、精度、快速性、穩定性等方面提出嚴格要求，高性能的電機控制系統會對無人機的性能有質的提升[4]。文獻[5]提出了一種無人機無刷直流舵機的控制方法，更多地考慮了對舵回路的控制，而沒有對作為動力的無刷直流電機進行分析。文獻[6]提出了一種四旋翼無人機無刷電機的矢量控制方案，在穩定運行時性能良好，但動態性能一般。對無刷直流電機矢量控制系統的研究中，文獻[7]通過對d軸電流的二次諧波進行處理得到轉子極性位置。該方法不需進行額外操作并降低了電流采樣的要求，但實現復雜。文獻[8]通過注入高頻旋轉電流估計轉子位置，此外對供電電流進行檢測從而判斷轉子位置的極性進行角度補償從而確定轉子實際位置，但此方法更適用于凸極式無刷直流電機。文獻[9]在注入脈振載波信號估計轉子位置的基礎上，進一步同時解算響應電流，確定轉子位置。此方法加快了檢測效率，降低了檢測信號延遲帶來的誤差，但加大了實現的難度。為此，本文提出了一種基于滑模觀測器的無刷直流電機矢量控制方法，該方法可以提高電機的性能，使電機不僅能在全速范圍內平穩運行，以零速度產生額定轉矩，還具備良好的高速動態性能，做到快速地加減速。從而讓無人機能夠平穩、高效地完成各種飛行動作。

1矢量控制策略

無刷直流電機結構上主要由電動機本體、位置傳感器（本文用基于滑模觀測器的無位置傳感器代替）和電子開關模塊3部分構成。無刷直流電機定子上繞有互為120°的三相繞組，經由6只MOSFET組成的逆變器供電。安裝在轉子表面的永磁體建立轉子磁動勢，而位置傳感器通過一定的方法檢測轉子的位置，得到準確的換相時刻，為電子開關模塊線路的切換提供依據。經過計算后，電子開關模塊以此來控制三相定子繞組的通電時序。MOSFET采用兩兩導通的方式控制三相定子繞組形成旋轉磁動勢，從而驅動轉子旋轉。當MOSFET按次序換相時，則推動轉子向前運轉。由于三相坐標系的電壓方程具有非線性、強耦合等特點，因此在三相坐標系下進行控制性能研究并不可行。無刷直流電機的矢量控制，即是將普遍采用的三相坐標系（A-B-C）轉化為兩相靜止坐標系（α-β）和兩相同步旋轉坐標系（d-q）。在無刷直流電機矢量控制過程中將三相坐標系轉換到d-q坐標系時，對復雜的非線性、多耦合的變量進行解耦，最終表現為電磁轉矩僅與交軸電流iq有關（控制id=0）。變換后可大大簡化數學模型，方便對無刷直流電機進行磁鏈和轉矩控制。在這種控制策略下，電機的交軸電流全部用于產生電磁轉矩，定子產生的旋轉磁場與永磁磁場的夾角為π2，因此通過控制iq就可以實現電磁轉矩的獨立控制。

2基于滑模觀測器的轉子轉速和位置估計

無人機用無刷直流電機的轉子電、磁結構對稱，所以其數學模型更加簡潔，在此基礎上采用基于滑模觀測器的轉速和位置估計法代替位置傳感器，可以在不改變無刷直流電機功率的前提下減小體積并降低成本，很好地契合了無人機的特點，非常適合在無人機上使用。基于滑模觀測器的轉速和位置估計基本結構如圖1所示，在無刷直流電機的α-β兩相靜止坐標系下，將定子電壓和電流輸入滑模觀測器得到反電動勢，由于采用了飽和函數使得估計得到的反電動勢含有高頻噪聲，為了提取正確的轉速和位置信息，添加了一個低通濾波器去除高頻噪聲，從而得到光滑的反電動勢估計值。再通過對反電動勢估計值取反正切，得到轉子位置，通過添加補償抵消因低通濾波使位置滯后的因素，對位置進行微分運算即可得到轉速估計值，再反饋給矢量控制系統。

3基于id=0的矢量控制

基于id=0矢量控制策略的結構框圖如圖2所示，系統主要包括：轉速和電流調節器模塊、逆Park變換模塊、Park變換模塊、Clark變換模塊、SVPWM模塊、轉子轉速和位置檢測模塊（本文采用基于滑模觀測器的估計算法）、三相逆變器和電機本體。id=0矢量控制執行過程如下。首先，通過滑模觀測器估計電機的轉速和位置，將轉速ω與給定轉速ω*作差比較后輸入速度調節器得到q軸電流參考量i*q，角度信息θ則用于Park變換；然后，相電流ia、ib、ic經過Clark變換得到α-β兩相靜止坐標系電流分量iα、iβ，再利用角度信息θ經Park變換得到d-q兩相同步旋轉坐標系電流分量id、iq；接著，id、iq與各自的參考量（i*d=0）比較作差后輸入電流調節器得到d-q兩相同步旋轉坐標系電壓分量ud、uq，再經過逆Park變換得到α-β兩相靜止坐標系電壓分量uα、uβ；最終，SVPWM模塊根據uα、uβ進行空間矢量脈寬調制，生成6路PWM信號輸入三相逆變器中，最終實現無刷直流電機按矢量控制運行。

4無人機與無刷直流電機的連接

無人機自駕儀主控MCU選用Atmel公司的SAME70Q21，由于SAME70Q21具有極高的性價比、豐富的接口、大容量存儲空間以及多元處理能力，成為無人機的主流選擇。為了減輕MCU的負擔，無人機自駕儀一般不承擔無刷直流電機的控制工作，而是只負責輸出目標轉速，具體控制工作由分系統完成（本文為TMS320F2812組成的控制電路）。SAME70Q21外部通過I2C擴展了一個16路LED背光調節控制芯片PCA9685，用于輸出電機的轉速及舵機的位置信息，并在手動模式下接收RC接收機輸出的遙控信息。根據控制無人機類型的不同，會有若干路送入無刷直流電機的控制電路。控制電路主控芯片選用的是TI公司的TMS320F2812，它的計算能力強大、運算精度高，適用于電機控制。在以上核心器件的基礎上，再加入電源變換模塊、驅動及逆變電路、電流采樣電路，最終得到的無人機系統電機控制框圖如圖3所示。SAME70Q21接收外部傳感器的信息，通過一定的飛控算法（一般為PID控制）計算出當前的飛行姿態，結合飛行指令進行綜合處理，將執行機構下一步要進行的動作通過I2C發送給PCA9685，PCA9685再按照地址分發給不同的執行器。其中有若干路會將轉速信息分發給各自的電機控制單元。TMS320F2812接收到到轉速信息后，會按照以上分析的控制策略生成6路PWM信號控制6只MOSFET的通斷，通過三相逆變器實現相應電流的輸出。同時，電流采樣模塊將實時監測的電流信號通過ADC返回給TMS320F2812，后者對無刷直流電機的實際轉速和轉子位置進行估計，經過轉速及電流反饋形成雙閉環調速，實現對轉速的動態調整。經驗證，在使用本文設計的無刷直流電機矢量控制系統后，電機的振動顯著減小甚至消失，啟動時速度快、抖動小，恒速時運行平穩、抗干擾能力強，加減速過渡平滑、快速，無刷直流電機經過矢量控制后，其性能穩定、優良，滿足了無人機的諸多需求，非常適合在無人機上使用。

5結論

為了提高無人機的性能，針對無刷直流電機采用方波控制算法存在脈動轉矩等缺點，本文提出了一種加入滑模觀測器的矢量控制策略，在此基礎上對整個無人機電機控制系統進行了設計。該設計能夠有效減小無刷直流電機的脈動轉矩，提高抗干擾能力，實現無人機的平穩飛行。與此同時，采用無位置傳感器代替傳統的霍爾位置傳感器，有效降低了電機體積和重量，大大提高了無人機飛行的可靠性及帶載荷能力。另外，本文設計的無人機用無刷直流電機控制系統雖然解決了脈動轉矩等缺點，但在啟動及快速加減速方面還存在上升空間，也是今后研究的一個重點。

參考文獻：

［1］錢平.交直流傳動控制系統［M］.北京：高等教育出版社，2015.

［2］劉興艷，上官璇峰，董洋洋，等.基于P-模糊自適應PID控制的無刷直流電動機調速系統［J］.工礦自動化，2010，36（07）：45-49.

［3］李同豪，王友仁，吳勇，等.無刷直流電機無位置傳感器矢量控制系統［J］.微電機，2016，49（10）：20-24.

［4］何建霖，李則辰.多旋翼無人機直流電機驅動系統優化［J］.電子世界，2018（06）：166-167.

［5］魏林，陳欣，呂迅竑.無人機無刷直流數字式舵機控制器設計［J］.微電機，2008（05）：46-48.

［6］蔡剛.基于FOC的四旋翼無人機電機驅動系統設計與實現［D］.西安：長安大學，2016.

作者：李強 張永飛 鄭偉 單位：天津職業大學機電工程與自動化學院