基于FOC的四旋翼无人机电机驱动系统设计与实现

摘要

随着电子和计算机技术的飞速发展，多旋翼无人机，以其垂直起降、自由悬停、机动能力强、能够适应复杂多变的工作环境等优点，得到了各个领域的广泛重视和关注。
　　磁场定向控制（Field Oriented Control,FOC）又称矢量控制，是通过改变变频器的三相输出来控制电机的一种技术。本论文主要针对目前四旋翼无人机存在续航能力不足、电机控制效率低的问题进行研究，结合四旋翼无人机的特点，对大功率电机的磁场定向控制算法进行改进，并利用嵌入式系统对该算法进行实现。本文的改进为以下三个方面：
　　1.在四旋翼的小电机控制上，采用了大功率电机的磁场定向控制方法，与目前常用的方波电调控制相比，电机转换效率提高了6％-8%。
　　2.通过对磁场控制进行去弱磁的处理，提高了电机控制系统的响应速度。
　　3.采用软件位置估算法替代传统硬件位置传感器，优化了算法复杂度，更易于电机控制的实现。
　　论文从硬件和软件两个方面来实现四旋翼无人机电机控制。硬件方面使用单片机MB9BF564KPMC作为主控MCU，DRV8303DCA作为驱动器，设计了功率驱动电路、电流采集电路等模块电路。软件方面主要编写了电机转动程序、换相程序、低电压保护程序及过流保护程序等。
　　最后通过对本文FOC电机驱动系统进行软、硬件测试分析，测试结果表明本系统能够更好的实现电机启动和换相，以及与常用方波电调相比，在同等的拉力和转速下使用FOC控制系统的四旋翼无人机功耗更低，续航时间更长、系统平稳、响应更加快，完全满足四旋翼无人机的动力设计要求。

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第一章 绪论

1.1论文研究背景及意义

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.3论文研究的主要内容以及章节安排

第二章 FOC电机驱动系统相关控制技术

2.1直流无刷电机技术

2.2 坐标变换原理

2.3直流电机的PWM技术

第三章 FOC电机控制技术的改进与实现

3.1 FOC电机控制系统总体分析

3.2基本的电压空间矢量划分

3.3扇区的确定

3.4 SVPWM的实现方法

第四章 电机驱动硬件系统实现

4.1硬件设计结构

4.2单片机MB9BF564KPMC简介及外围电路

4.3电源管理电路的设计

4.4驱动电路设计

4.5 CAN通信接口设计

4.6 PCB设计

第五章 电机驱动软件实现

5.1 IAR EWARM开发环境简介

5.2主程序设计

5.3系统初始化模块介绍

5.4 FOC电机控制中断模块

5.5电机控制软件流程

第六章 系统调试与结果分析

6.1实验设备清单

6.2电机驱动设备实物图

6.3 PCB的基本测试

6.4程序下载过程

6.5测试结果与分析

总结与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢