Проектирование модели беспилотного летательного аппарата Гексакоптера

Тип работы: Дипломная работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 59 страниц
В избранное:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Нусипов Е.О

Разработка модели беспилотного летательного аппарата Гексакоптера

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Алматы 2019
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АО МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

Допущен к защите
Заведующий кафедрой
PhD, ассист. - профессор
___________Е.А. Дайнеко

_____ ___________2019 г.

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Тема проекта: Разработка модели беспилотного летательного аппарата Гексакоптера

по специальности 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Студент:
гр.РЭТ-1502 Е.О.Нусипов
____ ________2019 г.

_____________
(подпись)

Научный руководитель:

к.т.н., ассист.-проф. С.П.Луганская
____ ________2019 г.

__________
(подпись)

Рецензент:

к.т.н., зав.кафедрой
"Телекоммуникационные системы" Алматинский университет энергетики и связи
А.С.Байкенов
____ ________2019 г.

___________
(подпись)

Алматы 2019
АО Международный Университет Информационных Технологий
Факультет Информационных Технологий
Кафедра Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Специальность 5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Задание на дипломный проект

Нусипов Елжан Ошакбайулы

Тема проекта: Разработка модели беспилотного летательного аппарата Гексакоптера

Утверждено приказом № 411-с МУИТ от 28 ноября 2018 г.

Срок сдачи студентом законченного проекта 20 мая 2019 г.

Исходные данные к проекту: радиопередатчик 2.4 ГГц,обеспечивать корректную обработку данных и осуществлять управление положением гексакоптера в пространстве. Сведения об исследуемой модели. Математическое описание гексакоптера. Разработка системы управления траекторным движением гексакоптера. Строение атмосферы.

.Содержание расчетно - пояснительной записки перечень подлежащих разработке вопросoв:
Глава 1 Гипотеза и законы аэродинамики
Глава 2 Конструкторская часть
Глава 3 Система управления
Глава 4 Экономическая часть
Глава 5 Охрана труда и промышленной экологии

Лазерный CD диск с текстом дипломного проекта и приложениями:
1. Пояснительная записка к дипломному проектированию.
2. Презентация.

Консультанты по проекту, с указанием относящихся к ним разделов проекта
Раздел
Консультант
Подпись, дата

Задание выдал
Задание принял
Экономическое обоснование ДП
и.о.профессор, к.э.н.,
Бердыкулова Г.М.

ОТ и ПЭ
Ассистент-
профессор, PhD
Малгаждарова М.К.

Нормоконтроль
Ассистент-профессор, к.т.н. Жаксылык А.

Дата выдачи задания 3 декабря 2018

Руководитель_______________________ к.т.н., ассист-проф. С.П.Луганская
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ Е.О.Нусипов
(подпись)

Календарный план выполнения дипломного проекта
Студент ___________ группа ______ курс _____
Международный Университет Информационных Технологий

___________________________________ ________________________________
(Ф.И.О)
Тема:______________________________ _________________________________
(тема дипломного проекта)
___________________________________ ______________________
1№
Наименование этапов дипломного проекта (работы)
Срок выполнения этапов проекта (работы)
Примечание

1.
Составление графика написания дипломной работы. Представление на кафедру

Ноябрь

2.
Сбор, изучение, обработка, анализ и обобщение данных
Ноябрь-Декабрь

3.

Составление и представление научному руководителю.
Введение
Глава 1
Глава 2
Глава 3
Глава 4
Глава 5
Заключение
Январь-Февраль

4.
Доработка дипломной работы с учетом замечаний консультанта
Март-Апрель

5.
Подача заполненного дипломного проекта руководителю ДП
15 Апреля

6.
Отчетность по дипломной работе на семинарах кафедры
21-25 Января
5-16Февраль
1-5 Aпрель

7.
Предзащита
10-16 Июня

8.
Предоставление ДП на утверждение рецензента
22 Июня -24 Июня

9.
Составление доклада для ГАК
2 Июня - 29 Июня

10.
Презентация ДП для ГАК
29 Июня - 5 Июля

Руководитель_______________________ ______________________ С.Е. Луганская
(подпись)
Задание принял к исполнению_________________________ _____Е.О.Нусипов
(подпись)
Дата выдачи задания 3 декабря 2018 г

АҢДАТПА
Дипломдық жоба пилотсыз ұшатын аспапқа арналған. Ара қашықтықтан басқарылатын гексакоптер макеті құрастырылған. Жобада шатын аспаптың микроконтроллер, басқару блогыны, координат жүйесі қарастырылған.
АННОТАЦИЯ
В дипломный проект посвящен беспилотному летающему аппарату. Разработан макет дистанционно - управляемого летающего гексакоптера. Рассматривается принцип работы микроконтроллера, блока управления, системы координат летательных аппаратов.

SUMMARY
In the degree project it is devoted to the pilotless flying device. The model remotely - the operated flying geksakopter is developed. The principle of operation of the microcontroller, control unit, system of coordinates of aircraft is considered.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
11
1
ГИПОТЕЗЫ И ЗАКОНЫ АЭРОДИНАМИКИ

1.1
Концепция и общие положения

1.2
Моделирование с использованием уравнений ЭйлераЛагранжа.

1.3
Строение атмосферы

1.4
Основные выводы о природе образования подъемной силы

2
КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1
Бесколлекторный двигатель постоянного тока, без датчиков холла

2.2
Управление трехфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока без датчиков Холла.

2.2.1
Виртуальная средняя точка

2.2.2
Схема делителя напряженияфильтра низких частот

2.2.3
Опорное напряжение АЦП

2.2.4
Фиксированное опорное напряжение

2.2.5
Задание скорости

2.2.6
Защита от токовой перегрузки

2.2.7
Драйвер бесколлекторного двигателя

2.2.8
Система питания

2.3
Тестовый запуск бесколлекторного двигателя.

2.4
джойстик управления

2.5
Защита пропеллеров

3
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

3.1
Физика движения

3.2
Аппаратура радиоуправления

3.3
Количество каналов и раскладка ручек управления

3.4
Принципы формирования радиосигнала

3.5
Подключение к Arduino

3.6
Математика стабилизации

4
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1
Экономическое обоснование для разработки гексокоптера

4.2
Расчет затрат на проектирование шагового двигателя

4.3
Амортизационные отчисления

4.4
Расчет экономической эффективности от внедрения программы гексокоптера

5
ОХРАНА ТРУДА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

5.1
Рациональная организация рабочего места

5.2
Мероприятия по охране труда

5.3
Электробезопасность

5.4
Мероприятия по борьбе с шумом, вибрацией

5.5
Мероприятия по снижению запыленностью при загазованности воздуха

5.6
Обеспечение нормативных параметров микроклимата на рабочих местах

5.7
Внедрение требований технических регламентов

5.8
Обеспечение нормативной освещенности

5.9
Пожаровзрывобезопасность

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Одной из главных целей мехатроники является создание автоматических устройств, которые имеют все шансы заменить человека оператора в опасных для жизни условиях. В связи с этим значительно растет роль беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Это связано с успешностью их внедрения для исполнения трудных технологических процессов и операций, таких как мониторинг, фотограмметрия фасадов, инспекция мостов, но множество гекракоптеров используется и гражданскими лицами по всему миру с целью записи видео и фотосъемки с высоты птичьего полета, а также для выполнения особенно дорогостоящих и сложных для выполнения людьми производственных процессов. Для реализации данных технологических процессов необходимо управлять полетом. В настоящее время управление полетом осуществляется в дистанционном режиме используя пульт управления. Наравне с этим значительно растет роль программного управления БПЛА, основанного на использовании интеллектуальных автопилотов. Анализ источников отечественной и зарубежной литературы по БПЛА показывает, что к настоящему времени отсутствует системный подход к разработке и применению беспилотной авиационной техники в военной и гражданской областях. Это привело к появлению огромного количества различных видов, типоразмеров и функционального назначения БПЛА. К классу вертолетного типа относится гексакоптер. Это мехатронный винтокрылый летательный аппарат (ЛА), имеющий шесть степеней свободы, осуществляющий полет путем изменения скорости вращения роторов. Это позволяет гексакоптеру передвигаться в трехмерном пространстве в трех режимах: зависание, крен, и рыскание. Осуществление вышеупомянутых режимов происходит с помощью микро-ЭВМ, которая управляет механизмом генерирования подъемной силы роторов, регулирует состояние гексакоптера в соответствии с выбранным режимом полета и обеспечивает обмен навигационных данных с управления. Повышения количества использование программного управления БПЛА необходимо для облегчения работы человека и в стремлении сократить влияние человеческого фактора, который служит причиной аварий летательных аппаратов. Так же имеется высокий уровень отказа БПЛА в случае потери связи
1 ГИПОТЕЗЫ И ЗАКОНЫ АЭРОДИНАМИКИ

1.1 Концепция и общие положения
Особый интерес в этой главе уделяется вопросам моделирования гексакоптера, его можно рассматривать и как линейный и как нелинейный объект в зависимости от допущения. Мировая тенденция в этом направлении стремится к представлению гексакоптера как нелинейного объекта. Этот подход более реалистический. В связи с этим предлагаем нелинейную модель гексакоптера с учетом сдвига центра тяжести от его идеального геометрического положения, которое совпадает с положением центра масс. Концепция сводится к описанию динамической модели используя физические выражения, основной задачей является определение динамики и параметров исполнительных механизмов, которые имеют важное значение в случае исследования мультироторного БПЛА. Такой подход позволяет упростить процесс создания динамической модели нестабильной системы. Для моделирования были использованы уравнения Эйлера-Лагранжа и уравнения, описывающие работу бесколлекторного двигателя постоянного тока. Модель разработанная в данной работе, предполагает следующие:
Конструкция предполагается жесткой.
Конструкция предполагается симметричной.
Винты предполагаются жесткими.
Тяга и сопротивление, примем пропорциональными квадрату скорости пропеллера.

1.2 Моделирование с использованием уравнений ЭйлераЛагранжа.
В этом разделе описывается динамика вращения на тестовой модели, используя уравнения Эйлера-Лагранжа. Для описания положения и движения БПЛА в пространстве используют различные системы координат: инерциальные, подвижные и неподвижные. Выбор системы координат обычно обусловлен решаемой задачей.
В данной работе рассмотрим нормальную земную систему координат E и подвижную систему B. Земная система координат лежит на поверхности земли и оси фиксированы относительно ее начала. Ось Z направлена вверх по прямой совпадающей с направлением силы тяжести. Оси Y и X лежат в горизонтальной плоскости, образуя правую прямоугольную Декартову СО [3].
Подвижная система координат B. Это система координат оси которой совпадают с осями гексакоптера. Ее начало лежит в центре массы гексакоптера, а оси повернуты на углы тангажа, крена и рыскания относительно осей земной системы координат. Ориентация корпуса летательного аппарата в пространстве задается вращением R от В до Е, где R является ортогональной матрицей вращения

1.3. Строение атмосферы

Атмосфера является средой полета различных летательных аппаратов. Она имеет сложное строение, однако условно ее делят на слои с указанием их особенностей. Наиболее характерными и интересными для авиастроителей имеют слои тропосфера, стратосфера, ионосфера и экзосфера [12 - 15, 19 - 20].
Тропосфера - часть атмосферы, граничащая с Землей (H = 10 - 17 км), где заметно тепловое излучение земной поверхности, где температура заметно уменьшается с удалением от Земли. В тропосфере образуются облака, дуют ветры, тут находится вся испаренная влага, меняется влажность, температура, направление ветра.
На верхней границе тропосферы температура остается постоянной. Далее по высоте располагается стратосфера. В стратосфере температура почти постоянна (~ до 30 км). Ветры там имеют постоянные направления и направлены против вращения Земли (происходит расслоение нижних и верхних слоев воздуха вследствие малого сцепления частиц воздуха).
Ионосфера характеризуется наличием свободных ионов и электронов и непрерывным повышением температуры. Границы ионосферы непостоянны (H ≈ до 200 км).
Экзосфера не имеет вообще границ. Это переходная зона от земной атмосферы к межпланетному пространству (H = от ~ 500 до 1000 км). Известно что:
50 % массы атмосферы расположено на высотах 0 - 5,5 км;
75 % массы атмосферы расположено на высотах 0 - 10 км;
94 % массы атмосферы расположено на высотах 0 - 20 км над уровнем моря.
Масса атмосферы составляет 11000000 массы Земли.
Свойства земной атмосферы и происходящие в ней явления изучает наука, называемая метеорологией. Свойства атмосферы используются нами для измерения высоты и скорости полета. От них зависят условия работы пилотов самолетов, тяга двигателя, подъемная сила самолета. Для устранения усложнений в полете (а то и катастроф) необходимо изучение аномальных явлений в атмосфере.
К аномальным явлениям относятся грозы, горизонтальные и вертикальные порывы ветра, турбулентные движения воздуха. Струйные течения воздуха могут быть со скоростью от 100 до 700 кмч.
Воздух атмосферы является смесью газов: 78 % азота (N2), 21 % кислорода (O2), 0,94 % аргона (A2), 0,03 углекислого газа (CO2), 0,01 % водорода (H2) 0,01 % неона (Ne2) 0,01 % гелия (He2), 1,2 % пара. На высотах 30 - 50 км имеется озон (O3). Максимальное его количество находится на высоте ~ 35 км и составляет 0,00075 %, тогда как у Земли его только 0,00001 %. Фактически воздух состоит из отдельных молекул газов и не является сплошной средой (особенно на больших высотах).
Для практических целей авиационные науки нуждаются в установлении закона изменения с высотой основных параметров: как плотность, давление, температура воздуха, скорость звука, вязкость. Но эти параметры зависят еще и от времени года и суток, от случайных явлений в природе. При испытаниях приборов, систем и самолетов требуется проводить сравнение результатов в одинаковых условиях. Так возникла необходимость создания условной стандартной атмосферы (СА), являющейся схемой действительной атмосферы, в которой отсутствуют колебания, вызванные метеорологическими или астрономическими факторами.
На параметры стандартной атмосферы действуют государственные стандарты: ГОСТ 4401-81 (Атмосфера стандартная. Параметры), ГОСТ 3295-73 (Таблицы гипсометрические для геопотенциальных высот до 50000 м. Параметры), ГОСТ 5212-74 (Таблица аэродинамическая. Динамические давления и температуры торможения воздуха для скорости полета от 10 до 4000 кмч. Параметры) и др. [31 - 33]. В отличие от стандартной атмосферы существуют атмосферы справочные, учитывающие широту местности и время года.
В стандартной атмосфере принимаются стандартными исходные параметры: ускорение свободного падения gс = 9,80665 мс[2]; скорость звука aс = 340,294 мс; средняя длина свободного пробега частиц воздуха lс = 66,328∙10[-9] м; давление Pс = 101325,0 Па (760 мм рт. ст.), температура Кельвина Tс = 288,15 К; кинематическая вязкость νс = 14,607∙10[-6] м[2]с; динамическая вязкость μс = 17,894∙10[-6] Па∙с; плотность весовая γс = 1,2250 кгм[3]; плотность массовая .
Закон изменения температуры воздуха на высотах от нуля до 11000 метров над уровнем моря следующий:
, (1.1)
где Tн - абсолютная температура воздуха на высоте Н; а - температурный градиент, равный 0,0065 °См; Н - высота над уровнем моря; Т0 = 288 °К. Для Н 11000 м Tн = 216,5 °К = const. Изменение барометрического давления для высот Н 11000 м:
, (1.2)
где Pн - давление на высоте Н; Pо = 760 мм рт. ст.; νо - весовая плотность (1,2255 кгм[3]); а - температурный градиент (0,0065 °См).
Важнейшей характеристикой воздуха является его влажность. Относительная влажность может быть определена по формуле
, (1.3)
где R - относительная влажность; q - абсолютная влажность - количество пара в граммах, содержащееся в 1 м[3]; Q - количество насыщающих паров при данной температуре в гм[3].
Предел насыщения воздуха водяными парами в зависимости от температуры приведен в таблице 2.1.
Таблица 2.1
t, °С
-30
-20
-10
0
+10
+20
+30
Q, гм3
0,5
1,0
2,5
5,0
9,5
17,0
30,1
Важно обратить внимание на то, что при понижении температуры воздуха наступает перенасыщение, пар превращается в капли воды [13]. Самолетостроители и разработчики приборов и систем должны это учитывать в своей практике. В связи с этим явлением внутри самолета накапливается большое количество воды, которая пагубно влияет на работоспособность техники.

1.4 Основные выводы о природе образования подъемной силы

Подъемная сила независимо от направления набегающего потока всегда направлена перпендикулярно этому направлению и лежит в плоскости симметрии самолета.
Подъемная сила может быть положительной, если угол атаки положителен, и отрицательной при отрицательном угле атаки.
Симметричные профили при нулевом угле атаки не создают подъемной силы.
Формула подъемной силы является полуэмпирической и не дает возможности найти теоретически наиболее выгодные формы профиля и крыла в плане. На эти вопросы отвечает теория крыла Н.Е. Жуковского.
При отсутствии циркуляции нет разности давлений и скоростей на верхней и нижней поверхностях обтекаемого тела, а, следовательно, нет и подъемной силы. Это значит, что при наличии подъемной силы в потоке должны существовать вихри.
Циркуляция вокруг несимметричных тел в потоке возникает самостоятельно, без помощи его вращения за счет разгонного вихря [17].

Рисунок 1.15. Бесциркуляционное обтекание крыла.

При обтекании, изображенном на рис. 1.15, подъемная сила на крыле не образуется, так как давления над крылом и под крылом равны. При этом предполагается, что струйки движутся с одинаковой скоростью по контуру крыла как над крылом, так и под крылом. Задняя критическая точка К2 при этом должна оказаться на верхней стороне профиля. Но такое обтекание невозможно. При реальном обтекании точка К2 немедленно окажется у задней кромки крыла. Появляется вихрь вокруг крыла, и обтекание будет напоминать картину, изображенную на рис 1.10.

2 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Бесколлекторный двигатель постоянного тока, без датчиков холла

Бесколлекторный (вентильный) электродвигатель -- это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока, потому что контроллер такого двигателя обычно питается от постоянного напряжения. Этот тип двигателя создан с целью улучшения свойств электродвигателей постоянного тока. Высокие требования к исполнительным механизмам (в частности, высокооборотных микроприводов точного позиционирования) обусловили применение специфических двигателей постоянного тока: бесколлекторных трехфазных двигателей постоянного тока (БДПТ или BLDC). Конструктивно они напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора. БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессор обработки сигналов. Для торможения и реверса БДПС не нужна мостовая схема реверса питания - достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.
В вентильном двигателе (ВД) индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором).
Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора.
Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз - синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.
По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Рисунок 2.1 - Статор бесколлекторного двигателя.

Рисунок 2.1.1 - ротор нашего гексакоптера.

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов - см. пример конструкции.
Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из сплавов редкоземельных элементов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

Рисунок 2.2 - Ротор бесколлекторного двигателя.

Трехфазные бесколлекторные двигатели приобрели наибольшее распространение. Но они могут быть и одно, двух, трех и более фазными. Чем больше фаз, тем более плавное вращение магнитного поля, но и сложнее система управления двигателем. 3-х фазная система наиболее оптимальна по соотношению эффективностьсложность, поэтому и получила столь широкое распространение. Далее будет рассматриваться только трехфазная схема, как наиболее распространенная. Фактически фазы -- это обмотки двигателя. Поэтому если сказать трехобмоточный. Три обмотки соединяются по схеме звезда или треугольник. Трехфазный бесколлекторный двигатель имеет три провода -- выводы обмоток, см. рисунок 2.3.

Рисунок. 2.3 - Обмотки фаз трехфазного бесколлекторного двигателя, соединенные в виде звезды и треугольника.

В трехфазной системе в каждый момент времени напряжение подается на две из трех обмоток. Таким образом, есть 6 вариантов подачи постоянного напряжения на обмотки двигателя, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 2.4 - алгоритм управления бесколлекторным двигателем
Это позволяет создать вращающееся магнитное поле, которое будет проворачиваться шагами на 60 градусов при каждом переключении. Но не будем забегать наперед. В следующей статье будут рассмотрены устройство бесколлекторного двигателя, варианты расположения магнитов, обмоток, датчиков и т.д., а позже будут рассмотрены алгоритмы управления бесколлекторными двигателями.

2.2 Управление трехфазным бесколлекторным электродвигателем постоянного тока без датчиков Холла.

Существуют бесколлекторный двигатель без каких либо датчиков положения или энкодеров. В таких двигателях определение положения ротора выполняется путем измерения ЭДС на свободной фазе. Мы помним, что в каждый момент времени к одной из фаз подключен + к другой - питания, одна из фаз остается свободной. Вращаясь, двигатель наводит ЭДС в свободной обмотке. По мере вращения напряжение на свободной фазе изменяется. Измеряя напряжение на свободной фазе, можно определить момент переключения к следующему положению ротора. Обычно определяют момент перехода напряжения на свободной фазе через нулевую точку (половину питающего напряжения). Т.е. нужно отследить момент, когда напряжение на свободной фазе сравняется со средней точкой. Разумеется, для работы этого метода двигатель должен вращаться. Этот метод хорошо работает при сравнительно высоких оборотах двигателя. При низких оборотах наводимая ЭДС может оказаться недостаточной для четкого определения положения ротора.

Виртуальная средняя точка

В большинстве случаев средняя точка недоступна. Т.е. нет возможности физически подключиться к ней без разборки двигателя. Обойти эту ситуацию поможет создание виртуальной средней точки.

Рисунок 2.6 - схема со средней виртуальной точкой

Эта схема очень проста и применяется очень часто, но она имеет свои недостатки. Из за ШИМ напряжение средней точки не постоянно. Оно колеблется в широком диапазоне напряжений. Для того чтобы микроконтроллер смог измерить напряжение, применяются цепи согласования сигналов -- делители напряжения и RC-фильтры для сглаживания колебаний.

Рисунок 2.7 - схема со средней виртуальной точкой с подключением фильтров низких частот

Если двигатель питается напряжением 24 вольта, то в средней точке напряжение может находиться в пределах от 0 до 24 Вольт. Микроконтроллеры обычно имеют предел измерения 5 В. Без схем согласования уровней сигналов не обойтись. Учтите, что повысив напряжение питания двигателя, следует изменить и делители напряжения в цепях согласования. В противном случае напряжение может превысить допустимое и вывести со строя микроконтроллер. Для предотвращения таких ситуаций дополнительно применяют схемы защиты.
Присутствие делителя напряжения ведет к снижению чувствительности на малых оборотах двигателя, а наличие фильтров вносит задержку.
Задержка является причиной погрешностей в определении положения ротора и может стать критичной для управления двигателями на высоких скоростях.
Поскольку схема с виртуальной средней точкой достаточно шумная, можно прибегнуть к другой схеме, где стабильное напряжение средней точки устанавливается отдельно и зависит от питающего напряжения.
В литературе встречались упоминания о схемах, которые используют измерение третьей гармоники статора. Также есть упоминание о применение высокочастотного сигнала для определения положения ротора. Однако более подробной информации об этом методе сообщить не могу.

Рисунок 2.8 - временная диаграмма включения каждой из трех фаз бесколлекторного двигателя

На первом этапе P1 на фазу V подается +, минус -- на фазу U. При этом напряжение на фазе W начинает расти и в середине периода P1 пересекает нулевую точку -- половину напряжения между фазами V и U, т.е. половину питающего напряжения. Как видно из диаграммы, изменение состояния ключей нужно выполнить на половине периода между событием пересечения нулевой точки (ZC). После переключения состояния ключей (этап P2) измерения выполняем на свободной фазе V. Обратите внимание на то, что напряжение на свободной фазе может расти или падать. Это придется учитывать при работе компараторов. Таким образом, наш регулятор должен помнить на каком шаге от P1 до P6 находится, и переходить к следующему состоянию, исходя из расчетов времени, вычисленных между событиями ZC.
Ниже приведена таблица соответствия состояния ключей и свободных фаз для каждого из 6 положений ротора:

Таблица 2.1. Состояния ключей и свободных фаз
Этап
Питание +
Питание -
Открытые ключи
Измерения на фазе
P1
V
U
SW1, SW5
W↑
P2
W
U
SW3, SW5
V↓
P3
W
V
SW3, SW4
U↑
P4
U
V
SW2, SW4
W↓
P5
U
W
SW2, SW6
V↑
P6
V
W
SW1, SW6
U↓

Итак, нам понадобится подсчитывать время между ZC. И отмерять время от события ZC до переключения ключей. Это время должно учитывать угол опережения фазы.
Рассматриваемое решение устройства управления 3-фазным БКЭПТ без использования датчиков состоит из шести частей:
AVR-микроконтроллер ATmega4888168;
3-фазный двигатель;
силовой каскад;
схема обработки сигнала обратной э.д.с;
вход задания скорости;
схема измерения тока.
Подключение данных частей показано на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 Устройство управления БКЭПТ без датчиков

Рисунок 2.9.1 Устройство управления нашего гексакоптера

Силовой каскад состоит из трех стандартных полумостов, которые часто используются для управления трехфазными двигателями. На рисунке 2.9.1 показана укрупненная схема силового каскада. U, V и W - каждая из трех фаз обмоток двигателя. Сигналы, обозначенные XX_PWM, являются сигналами управления микроконтроллера. Ключи, как правило, реализуются на транзисторах или других полупроводниках, функционирующих в ключевом режиме. Полная схема силового каскада отличается от приведенной и не рассматривается в данном документе. В набор для проектирования ATAVRMC100 входит пример схемы такого силового каскада, который может использоваться совместно со многими двигателями. Схема доступна с сайта www.atmel.com.
Ключи, подключенные к Vдв, называются верхними ключами. Ключи, подключенные к общему, по аналогии называются нижними ключами. При работе БКЭПТ, как показано на рисунке 1, могут быть открыты только один верхний и один нижний ключ, создавая путь протекания электрического тока через две фазные обмотки двигателя и оставляя одну обмотку двигателя неподключенной.
Диоды параллельно каждому ключу обычно называются обратными диодами и предназначены для защиты ключей от высоковольтных выбросов напряжения, возникающие при коммутации больших индуктивных нагрузок, подобных двигателю. Некоторые транзисторы интегрируют такой диод в своем корпусе.
Для измерения потребляемого двигателем тока используется один шунтовой резистор, включенный между силовым каскадом и общим. Поскольку через шунт могут протекать большие токи, то его сопротивление должно быть как можно более малым, но при этом также достаточным до восприятия падения напряжения на этом резисторе со стороны АЦП. При выборе шунтового резистора также необходимо убедится, что он способен рассеивать мощность при максимальном токе.
На рисунке 2.10 показано, как силовой каскад подключен к обмоткам двигателя и как сигналы управления подключены к ключам.

Рисунок 2.10. Силовой каскад бесколлекторного двигателя

Шесть синхронизированных ШИМ-сигналов, которые могут быть индивидуально включены и выключены, необходимы для управления силовым каскадом, показанного на рисунке 4. Микроконтроллер ATmega48 может генерировать шесть ШИМ-сигналов, но для этого требуется использование модулей таймеров-счетчиков. Желательно использовать только один таймер-счетчик для синхронизации процесса коммутации. Для этого можно генерировать только один ШИМ-сигнал, который в дальнейшем будет подключаться к активным ключам. Это легко достигается с помощью шести внешних логических элементов И. Каждый И-элемент управляет одним ключом силового каскада. ШИМ-сигнал подается на вход каждого элемента И. Оставшиеся шесть входов логических элементов соединяются с линиями ввода-вывода, которые будут выступать в качестве выходов разрешения. Схема распределения ШИМ-сигнала показана на рисунке 2.11.
В целях предотвращения плавания уровней сигналов управления при нахождении микроконтроллера в состоянии сброса рекомендуется установить подтягивающий к общему питанию резистор на линии ШИМ. Это позволяет эффективно отключить все ключи, когда линия ШИМ находится в плавающем состоянии.

Рисунок 2.11. Логика распределения ШИМ-сигнала

2.2.2 Схема делителя напряженияфильтра низких частот

В данной разработке несколько раз используется одна и та же схема: пассивный делитель напряжения и фильтр нижних частот (ДНФНЧ). Данная схема представлена на рисунке 2.12.

Рисунок 2.12. Схема делителя напряжения и фильтра нижних частот на входе АЦП

Параметры компонентов в данной схеме зависят от желаемого коэффициента передачи и частоты излома. При выборе параметров схемы рекомендуется руководствоваться следующими соображениями:
на низких частотах схема функционирует как обычный делитель напряжения. Vвых=(R2(R1+R2)) Vвх.
на высоких частотах емкость С функционирует как шунт к общей цепи, фильтруя все более высокие частоты.
частота излома фильтра определяется следующим выражением: w0=(R1+R2)(R1R2C)
R1+R2 должны иметь большое значение (10-100 кОм) во избежание протекания больших токов через фильтр.

2.2.3 Опорное напряжение АЦП

Пересечение ноля возникает, когда э.д.с. отключенной фазы пересекает уровень напряжения, равный среднему значению напряжений двух линий питания. В данных рекомендациях по применению полагается, что отрицательное питание принято за общую цепь. Это означает, что уровень пересечения ноля равен половине напряжения питания двигателя. Зависимость этого уровня от напряжения питания двигателя делает неприемлемым использование фиксированного порога для определения пересечения ноля. Вместо этого, в качестве источника опорного напряжения АЦП целесообразно использовать напряжение питания двигателя (или его отмасштабированная в направлении уменьшения версия). Перед подачей к АЦП напряжение питания двигателя необходимо отфильтровать. Для этих целей можно использовать схему ДНФНЧ, показанную на рисунке 6. Коэффициент деления выбирается таким образом, чтобы выходное напряжение было в требуемых границах АЦП, между 1В и AVCC.
Обратите внимание, что коэффициент передачи данной схемы может измениться, если вход AREF будет сопоставимо низкоомным. Данную проблему можно решить либо путем соответствующего выбора параметров компонентов, либо программным способом.
Напряжения 3 фаз должны быть подключены к входам АЦП посредством трех схем ДНФНЧ. Фильтры должны иметь тот же коэффициент передачи, что и фильтр опорного напряжения АЦП. Это позволит использовать весь диапазон преобразования АЦП. Фильтр низких частот должен обеспечивать как можно более полную фильтрацию высокочастотного шума, но при этим не должен вносить существенных задержек сигнала обратнойэ.д.с.
Ток, протекающий через шунтовой резистор, содержит высокочастотные компоненты, вызванные работой ШИМ и коммутацией. Поэтому, чтобы результат преобразования АЦП можно было смело интерпретировать как значение, соответствующее величине потребляемого тока, на входе АЦП необходимо предусмотреть фильтр нижних частот. Напряжение на шунтовом резисторе обычно мало и не требует деления напряжения. Во избежание неоправданного выделения мощности рекомендуется использовать шунтовое сопротивление как можно более низкого номинала. Таким образом, для фильтрации достаточно использовать пассивный фильтр низких частот (последовательное соединение резистора и конденсатора, подключенного к общему).

2.2.4 Фиксированное опорное напряжение

Для точного измерения тока использование опорного напряжения АЦП (вывод AREF), которое варьируется вместе с напряжением питания двигателя, не приемлемо. В этом случае необходимо фиксированное, известное опорное напряжение. ATmega48 содержит встроенный источник опорного напряжения, который может быть измерен с помощью АЦП по отношению к AREF, но стабилизируется относительно достигаемой цели достаточно медленно. В качестве данного опорного напряжения может использоваться любой источник, который характеризуется долговременной стабильностью и уровень которого заранее известен. В данных рекомендациях по применению напряжение VCC подается через ДНФНЧ для формирования известного опорного значения. Коэффициент передачи ДНФНЧ должен выбираться таким образом, чтобы отмасштабированное фиксированное опорное напряжение никогда не превышало напряжение AREF. Номинал конденсатора должен быть достаточно большим для удаления пульсаций VCC.

2.2.5 Задание скорости

В данной реализации скорость задается с помощью аналогового напряжения. В качестве датчика скорости может выступать любой сигнал, например, выход датчика температуры. В данной реализации для задания скорости используется обычный потенциометр. Если использовать схему ДНФНЧ с рисунка 6, в которой используется потенциометр на месте резистора R2, в качестве входного напряжения выступает напряжение питания двигателя и используется тот же коэффициент передачи, что и в делителе на входе AREF, то этим будет гарантироваться использование всего диапазона преобразования АЦП.

2.2.6 Защита от токовой перегрузки

Измерение тока с помощью АЦП выполняется однократно в каждом цикле ШИМ, т.е. приблизительно каждые 50 мкс при основной частоте ШИМ 20 кГц. Если требуется более высокое быстродействие реагирования на токовую перегрузку, то можно использовать аналоговый компаратор. Отфильтрованное напряжение шунта подается ко входу аналогового компаратора. На второй вход компаратора подается фиксированное напряжение, которое соответствует напряжению на шунте при протекании через него максимального тока. Используя прерывание по срабатыванию компаратора можно отключить питание двигателя при возникновении токовой перегрузки. Обратите внимание, что любое работающее прерывание должно завершиться, прежде чем активизируется прерывание компаратора, поэтому, перед отключением питания может возникнуть небольшая задержка. Если скорость отключения питания является критичным параметром, то можно реализовать внешнюю схему защиты от токовой перегрузки, которая будет автономно управлять отключением ШИМ-сигнала.

2.2.7 Драйвер бесколлекторного двигателя

Для запуска и управления двигателем используется драйвер бесколлекторного двигателя (электронный регулятор скорости ESC) ESCHW30A 30A .
Технические характеристики регулятора скорости:
- Масса: 25гр.;
- Размеры: 45х24х11 мм.;
- Напряжения питания: 5.6В - 16.8В;
- постоянный ток: 30А(Макс. 40А в течении 10 сек.);

Рисунок 2.13 - Драйвер бесколлекторного двигателя ESCHW30A 30A

Подключение драйвера осуществляется следующим образом:
Три синих провода соединяются непосредственно с фазами двигателя; Два провода по краям, синий и красный соединяются с аккумулятором(Рисунок 2.13.1) причем красный плюс(+)В, черный(-)В. Туда подается питание для транзисторных ключей. В нашем проекте мы подадим питание на эти выводы 11.1Вольт; Три провода объединённые в одну группу, представляют с собой выводы микросхемы. Красный и черный питание схемы, напряжение питания 5Вольт. Белый провод является информационным выводом. На него будет подаваться сигнал от полетного контроллера.

2.2.8 Система питания

Состояние модуля питания(2.13.1) в системе является чрезвычайно важным, четыре ротора беспилотный вертолет для стабилизации работы должны иметь стабильный источник питания в качестве гарантии, чтобы обеспечить питание для различных модулей системы. Стабильный власть может сделать система долгое время устойчивая работа в различных средах, поэтому дизайн модуля питания должны быть очень осторожны, чтобы гарантировать, что стабильность системы. В этой системе управления, схема потребляемой мощности являются: (1) 11.1 ~ 16.8V двигатели напряжения, менее требовательна к стабильности питания, но выходная мощность требовательным. Датчики ускорения, информационная система сбора, модуль приемника, светодиодные и т.д. необходимо предоставить 3,3 или 5,0 напряжение, высокую стабильность, но мало потребляемой ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.