2022年 / 第2期 物联网技术
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0 引 言
多旋翼无人飞行器被大量使用在航拍等无人飞行领域。旋翼由电动机驱动，大多采用高功率密度的典型外转子式无刷直流电动机，电机控制器应满足体积小、功率密度高、高可靠、环境适应能力强等要求，因此控制器在常规无刷电动机控制器设计的基础上更具针对性[1-3]。 本文设计了一款无位置传感器的无刷直流外转子电机控制器，相比有位置传感器控制器的区别在于取消了位置检测装置，通过检测电动机的相反电势电压，利用反电势过零比较策略间接计算电动机旋转换相的反馈信号。同时相比传统
单一控制器驱动电动机控制结构而言，本设计将四旋翼四路电机驱动集成在同一个控制器上，更有利于控制器的小型化与多电动机协同控制，飞行体验良好。
1 总体设计
1.1 总体设计架构
本设计采取一个控制器驱动四路电动机的方案，电动机及控制器的连线架构如图1所示。一台控制器根据总线控制指令，分别给四路电动机分配控制信号，驱动四路电动机带动螺旋桨工作。
控制器由四路控制单元组成，四路控制单元共用功率滤波电路模块、通信模块。单路无刷电动机控制器将直流电转化为三相交流电提供给电动机，硬件主要由主控模块（控制芯片）、电源模块、通信模块、反电势电压采样模块以及电 动机功率驱动模块组成。
（1）主控模块主要完成对控制系统的逻辑控制；（2）电源模块主要为不同电路供电；（3）采样模块采取所需的各路传感器信号；
（4）通信模块完成总控系统的命令并实时上传电动机运行状态参数；
（5）电动机功率驱动模块实现直流电压到电机运行所需的交流变频电压的转换。
图1 整体电动机及控制器架构示意图
本文采用无传感器控制技术，反电势电压采样单元采用电阻分压采样，有利于节约成本，提高产品可靠性。单路控制器系统结构如图2所示
。
图2 单路控制器系统结构
1.2 设计原理
自动检测本设计采取无位置传感器反电势检测换相无刷直流电动机控制策略。要使电动机正确换相，必须测量电气周期中的
周 峰1，蒋 伟2，王千龙2
（1.扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225127；2.扬州大学，江苏 扬州 225127）
摘 要：
为了满足四翼螺旋飞行器电动机控制器结构简单、体积小、功率密度高等要求，文中设计了一款四翼
螺旋飞行器电动机集成控制器，重点阐述了电动机控制器工作原理，设计了控制器硬件电路，采用四电机控制器集成印制板设计，有效解决了电动机控制器中强、弱电混合电路易形成干扰，导致电动机运行异常，性能不达标等问题。对电动机控制器整机进行实验测试和分析，结果表明，控制器能够满足四翼螺旋飞行器电动机的控制要求，具备调速范围宽、效率高、功率密度大等特点。
关键词：四翼螺旋飞行器；无刷电机控制器；硬件设计；四路驱动集成；无位置传感器技术；反电势过零位置检测
中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：
2095-1302（2022）02-0043-04收稿日期：2021-05-26 修回日期：2021-06-29基金项目：江苏省自然科学基金（BK20170503）
物联网技术 2022年 / 第2期
44分别对应的反电动势（Back EMF, BEMF ）电压波形
。
图3 反电势波形和换相图
通过图3发现，当电动机正常运行后反电势随转子位置变化而发生变化，且在电周期中具有唯一的位置。因此，如果正确检测出反电势的过零点，就可以将无刷直流电动机的无传感器控制转换为有位置的控制[4]。控制器输出6路PWM 信号驱动。如图4所示，通过使用6个MOSFET ，可以将三相绕组通过二二导通的方式驱动为高电平、低电平和不通电三种状态。
利用反电势过零点确定的电动机转子位置按照图3的通电顺序，即可启动无刷直流电动机旋转。
图4 功率变换电路
1.3 通信方式选择
控制器接收的通信信号是一组固定频率的PWM 信号。其中PWM 信号的频率范围为50～400 Hz 。通过对PWM 信号高电平脉宽进行控制，实现外部控制信号的传输。通信协议见表1所列。
表1 通信协议
动 作对应信号
启动
电调上电后频率为50～400 Hz ，高电平脉宽1 ms ，慢
慢将高电平脉宽增加到2 ms 调速
频率为50～400 Hz ，高电平脉宽在1～2.5 ms 范围内变化，高电平越宽，电动机转速越快，反之，转速越慢
控制器通信采用电子调速器常用的脉宽调整方式，控制信号的输入频率为400 Hz ，周期为2.5 ms ，输入波形如图5
集8个周期的高电平时间，进行平均运算后对电动机进行控制，控制信号波形示意如图5所示
中国实验方剂学
。
图5 控制信号波形示意图
2 控制器设计
2.1 主控模块设计
主控单元可实现信号采集、数据处理、算法实现、控制输出、对外通信等功能。由于该部分为低压电路，因此要求与功率电路做到有效的电气隔离，以免受到干扰，影响系统的可靠性和稳定性。主控单元电路如图6所示
。
图6 最小控制芯片单元电路
主控单元电路是基于Microchip 公司DSPIC30F4011芯片设计的最小系统，包括时钟、程序下载、数据存储等辅助电路，负责算法实现、数据处理，是系统的控制核心。
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图7 辅助电源单元
2.3 驱动及功率模块设计
驱动电路采用了以IR2102为核心的不隔离自举典型电路，在电路设计上更简洁，产品的体积更小，成本更低。快恢复二极管（D 14、D 15、D 16）和电容（C 53、C 54、C 55）及驱动芯片内部电路组成了自举升压电路，当相输出为低电平时，通过快恢复二极管对自举电容充电；当相输出为高电平时，自举电容的负端被强行拉高，快恢复二极管控制电流流向，实现高端驱动电压的自举升压功能[9]。
功率模块是采用6只单管MOSFET 构成的三相逆变全桥电路，在功率电路上增加了双电阻母线电流采样，为过流保护提供信号采集功能。驱动及功率电路如图8所示
2012中央经济工作会议。
图8 驱动及功率电路
2.4 采样调理电路设计
反电势电压采样电路通过串联电阻分压，电压调理后送至主控芯片A/D 采样单元，通过软件滤波处理
后估算电动机过零换相点，如图9所示
。
图9 反电势采样电路
电流采样电路将母线功率采样电阻两端的电压值分别进行调理计算，通过差分放大电路有效抑制信号干扰，得到能够直接传送给主控芯片的电压，进行电流采样、电流计算及功率限流。此外，该信号同时为硬件过流保护电路提供了信号输入，在瞬时大电流场合非正常工况下对控制器提供保护，确保控制器不会出现烧毁等情况，电路如图10 所示[10-11]
。
图10 温度及电流采样电路
置4只电动机所需功率三相全桥贴装MOSFET，印制板中
部放置公用直流母线支撑DC-Link电容组合，如图11所示。
采取四层印制板布线形式，中间二层分别是电源层与地线层，
顶层与底层为信号层，采取分割地线层与电源层的布线方式，
最大限度降低电磁干扰，印制板如图12所示。
超级解霸怎么用图11 器件布局示意图12 地线层分割示意
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3 性能测试
3.1 主要性能指标
控制器的功率供电电压范围：19～25 V，控制供电电压：
DC 15 V；
控制调速范围：1 000～5 000 r/m，连续可调；
驱动控制器效率：≥90％（额定工况下）；
工作制式：额定工作时间2 h，峰值工作时间30 min，
具体需根据整机电池容量确定。
3.2 测试工况
本次实验按以下2种工况进行测试：
（1）电源电压为22.2 V，遥控器在51%油门且电动机带
折叠浆的工作情况下，记录此时电动机的转速n1和电流A1；
（2）电源电压为22.2 V，遥控器在71%油门且电动机带
折叠浆的工作情况下，记录此时电动机的转速n2和电流A2。
实验平台如图13所示。系统包括：直流稳压源、电流
表、电调、BLDC样机、温度计和带电流探头的示波器。其中
，
温度计用于检测电调和BLDC样机在工作过程中的温升，示
波器用于采集BLDC样机三相线中任意一相的电流波形，便
于得到当前BLDC样机的工作速度。
3.3
实验数据
测试速度计算公式
：
n
T
=
×
×
601000
12
（1）
式中：n为转速，单位为r/min；60指60 s；1 000指1 000 ms；
12指样本电动机极对数；T为一相电周期的时间，单位
图13 实验平台
取2个测试点，测试波形分别如图14、图15所示。
图14 51%油门相电流波形
图15 71%油门相电流波形
4 结语
本文论述了无刷电动机控制器采取无传感器反电势位置
检测控制策略。通过实验测试，转速和带载性能符合设计指
标，系统运行稳定，满足四旋翼飞行器电动机控制器调速范
围宽、效率高、功率密度大等性能需求。
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（下转第50页）
作人员可用APP 登记车辆基本信息、车主信息、保险信息；民警和普通众均可通过APP 的“随手拍违法”功能上传非机动车的违法信息，包括改装、闯红灯、逆向行驶、超高超宽行驶、违停等行为。APP 上传的违法信息由管理人员在系统后台审核通过后保存备查。3.3 系统实现 在应用中
，系统通过前端车辆识别系统、人脸抓拍系统和信息发布系统实现非机动车违法信息的采集、识别和信息发布。同时通过智慧非机动车管理平台实现车辆信息的登记、管理和统计分析。平台支持对非机动车违法数据按违法地点、人员、违法类型、区域、车牌、企业等多个维度进行统计分析，以对违法类型和数据进行统计，供交通执法部门参考。
平台支持对非机动车违法数据进行实时监测，并通过图表直观展示。数据监测界面可展示非机动车本月/本年违法次数、违法路口排行TOP5及违法次数、非机动车本月/本年违法率变化趋势、非机动车违
法率本月/本年排行榜、区域本月/本年违法数量、违法类型本月/本年TOP5、人员/车辆违法数量TOP5。为交警的专项整治行动、精准勤务等提供数据可视化支撑。违法统计分析界面如图5所示。
图5 违法统计分析界面
4 结 语
由于缺乏有效管控，非机动车违法导致的事故数量逐年
传统的交通摄像机针对非机动车无法进行有效管控。随着信息与通信技术（ICT ）的快速发展，使应用科学技术手段对非机动车违法行为进行有效管控成为了可能。文章对智慧非机动车管理系统的系统架构、前端物联网系统和后端智慧非机动车综合管理平台进行了设计并实现。智慧非机动车管理系统借助物联网和人工智能等技术，辅助非机动车交通违法管控，不仅能够有效遏制非机动车交通违法行为，还能减少现场违法查处警力的投入，减轻警务工作压力，具有较高的推广应用价值[9-10]。
注：本文通讯作者为车辉。
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作者简介： 杨 波（1986—），男，山西应县人，硕士，研究方向为网络与信息安全、物联网与云计算。
车 辉（1979—），男，安徽淮北人，硕士，高级工程师，研究方向为智慧城市、网络与信息安全、物联网和大数据。
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作者简介：周 峰（1990—），男，江苏盐城人，硕士，工程师，主要从事电动机控制器设计相关工作。
（上接第46页）
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