CN107659230B - 电机矢量控制方法、装置和飞行器 - Google Patents

电机矢量控制方法、装置和飞行器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电机矢量控制方法、装置和飞行器，所述方法，包括以下步骤：接收脉冲位置调制PPM信号；根据PPM信号获取电机的第一给定电压信号；采用d轴给定电流为0的控制方式以获取电机的d轴电压；根据第一给定电压信号和电机的d轴电压计算下一时刻电机的q轴电压，并根据电机的d轴电压和下一时刻电机的q轴电压对电机进行矢量控制。该方法采用直接电压给定的方式对电机进行最大转矩控制，不仅能够减小采用方波控制产生的转矩脉动，减小振动和噪音，而且解决了采用速度闭环控制时造成的失控和机身剧烈抖动的问题。

Description

电机矢量控制方法、装置和飞行器
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种电机矢量控制方法、装置和飞行器。
背景技术
现有应用在无人机上的电机大多是三相无刷直流电机，通过电子调速器对电机进行控制。
目前，市面上多采用六拍式的方波调速器对电机进行控制，即将输入的脉宽信号转换为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号的占空比来对电机进行速度调节。但由于一个电角度周期内只有六次换相，电流波形为方波，因而会产生很大的转矩脉动，该脉动将引起飞行器(如无人机)桨的振动，从而对飞行器的整体平稳性造成一定影响，而且会产生较大的噪声。
另外，也有采用矢量控制的方法对电机进行控制，即在一个电角度周期内根据转子位置控制电压矢量连续输出，输出的电流波形为正弦波，从而可以实现转矩的平稳输出。但由于通用的矢量控制方法一般为速度闭环控制方式，如果直接应用于飞行器中，则将存在以下问题：
(1)由于从飞行控制器输入至电子调速器的信号为0％到100％的脉宽信号，需要分别对应速度给定的最低转速和最高转速。当设定最高转速时，由于电池电压逐渐下降，输出有可能达不到最高转速，从而造成飞行器失控；
(2)飞行控制器在稳定飞机姿态时会输出变化的脉宽信号，这会造成速度给定的快速变化，根据速度闭环控制，输出转矩将会快速变化，从而导致飞行器机身的剧烈抖动，飞行器无法稳定运行。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种电机矢量控制方法，该方法采用直接电压给定的方式对电机进行最大转矩控制，不仅能够减小采用方波控制产生的转矩脉动，减小振动和噪音，而且解决了采用速度闭环控制时造成的失控和机身剧烈抖动的问题。
本发明的第二个目的在于提出一种电机矢量控制装置。
本发明的第三个目的在于提出一种飞行器。
为实现上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种电机矢量控制方法，包括以下步骤：接收PPM(Pulse Position Modulation，脉冲位置调制)信号；根据所述PPM信号获取电机的第一给定电压信号；采用d轴给定电流为0的控制方式以获取电机的d轴电压；根据所述第一给定电压信号和所述电机的d轴电压计算下一时刻所述电机的q轴电压，并根据所述电机的d轴电压和下一时刻所述电机的q轴电压对所述电机进行矢量控制。
根据本发明实施例的电机矢量控制方法，接收PPM信号，并根据PPM信号获取电机的第一给定电压信号，然后，采用d轴给定电流为0的控制方式以获取电机的d轴电压，并根据第一给定电压信号和电机的d轴电压计算下一时刻电机的q轴电压，最后，根据电机的d轴电压和下一时刻电机的q轴电压对电机进行矢量控制。该方法采用直接电压给定的方式对电机进行最大转矩控制，不仅能够减小采用方波控制产生的转矩脉动，减小振动和噪音，而且解决了采用速度闭环控制时造成的失控和机身剧烈抖动的问题。
根据本发明的一个实施例，所述根据所述PPM信号获取电机的第一给定电压信号，包括：获取所述PPM信号的脉冲宽度；根据所述PPM信号的脉冲宽度获取所述第一给定电压信号。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式获取所述第一给定电压信号：
Figure BDA0001060277830000021
其中，Vref为所述第一给定电压信号，Dutyon为当前PPM信号的脉冲宽度，Dutystart为所述电机启动时PPM信号的脉冲宽度，Dutymax为所述电机达到最大输出时PPM信号的脉冲宽度，Vref max为最大输出电压。
根据本发明的一个实施例，所述根据所述第一给定电压信号和所述电机的d轴电压计算下一时刻所述电机的q轴电压，包括：根据所述第一给定电压信号和所述电机的d轴电压计算所述电机的q轴给定电压；获取当前时刻所述电机的q轴电压；根据所述q轴给定电压和所述当前时刻所述电机的q轴电压，通过加减速曲线计算下一时刻所述电机的q轴电压。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算所述电机的q轴给定电压：
Figure BDA0001060277830000022
其中，Vqref为所述电机的q轴给定电压，Vref为所述第一给定电压信号，Vd为所述电机的d轴电压。
根据本发明的一个实施例，所述加减速曲线包括：直线加减速曲线、变加速度曲线或者正弦曲线。
根据本发明的一个实施例，当所述加减速曲线为所述直线加减速曲线时，下一时刻所述电机的q轴电压通过以下公式计算获得：
Figure BDA0001060277830000031
其中，Vqnew为下一时刻所述电机的q轴电压，Vqref为所述电机的q轴给定电压，Vq为当前时刻所述电机的q轴电压，m为步长大小。
根据本发明的一个实施例，在计算出下一时刻所述电机的q轴电压之后，还包括：获取所述电机的q轴电流；对所述电机的q轴电流进行PI(Proportional Integral，比例积分)调节和限幅处理；根据限幅处理后的q轴电流对下一时刻所述电机的q轴电压进行调节和限幅处理。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式对所述电机的q轴电流进行PI调节和限幅处理：
Figure BDA0001060277830000032
Figure BDA0001060277830000033
其中，VqlimMax为限幅处理后的q轴负向限幅电压，VqlimMin为限幅处理后的q轴正向限幅电压，Kp和KI分别为PI调节的比例增益和积分增益，Iqmax为所述电机的q轴最大电流，Iqmin为所述电机的q轴最小电流，Iq为所述电机的q轴电流，Vref max为最大输出电压，Vd为所述电机的d轴电压。
根据本发明的一个实施例，通过以下公式对下一时刻所述电机的q轴电压进行调节和限幅处理：
Figure BDA0001060277830000034
其中，Vqz为限幅处理后的下一时刻所述电机的q轴电压，Vqnew为下一时刻所述电机的q轴电压，VqlimMax为限幅处理后的q轴负向限幅电压，VqlimMin为限幅处理后的q轴正向限幅电压，Vref max为最大输出电压，Vd为所述电机的d轴电压。
为实现上述目的，本发明第二方面实施例提出的一种电机矢量控制装置，包括：接收模块，用于接收脉冲位置调制PPM信号；电压给定模块，所述电压给定模块与所述接收模块相连，用于根据所述PPM信号获取电机的第一给定电压信号；控制模块，所述控制模块与所述电压给定模块相连，用于采用d轴给定电流为0的控制方式以获取电机的d轴电压，并根据所述第一给定电压信号和所述电机的d轴电压计算下一时刻所述电机的q轴电压，以及根据所述电机的d轴电压和下一时刻所述电机的q轴电压对所述电机进行矢量控制。
根据本发明实施例的电机矢量控制装置，通过接收模块接收PPM信号，电压给定模块根据PPM信号获取电机的第一给定电压信号，控制模块采用d轴给定电流为0的控制方式以获取电机的d轴电压，并根据第一给定电压信号和电机的d轴电压计算下一时刻电机的q轴电压，以及根据电机的d轴电压和下一时刻电机的q轴电压对电机进行矢量控制。该装置采用直接电压给定的方式对电机进行最大转矩控制，不仅能够减小采用方波控制产生的转矩脉动，减小振动和噪音，而且解决了采用速度闭环控制时造成的失控和机身剧烈抖动的问题。
根据本发明的一个实施例，所述电压给定模块在根据所述PPM信号获取电机的第一给定电压信号时，其中，所述电压给定模块获取所述PPM信号的脉冲宽度，并根据所述PPM信号的脉冲宽度获取所述第一给定电压信号。
根据本发明的一个实施例，所述电压给定模块通过以下公式获取所述第一给定电压信号：
Figure BDA0001060277830000041
其中，Vref为所述第一给定电压信号，Dutyon为当前PPM信号的脉冲宽度，Dutystart为所述电机启动时PPM信号的脉冲宽度，Dutymax为所述电机达到最大输出时PPM信号的脉冲宽度，Vref max为最大输出电压。
根据本发明的一个实施例，所述控制模块，包括：第一计算单元，用于根据所述第一给定电压信号和所述电机的d轴电压计算所述电机的q轴给定电压；第二计算单元，所述第二计算单元与所述第一计算单元相连，用于获取当前时刻所述电机的q轴电压，并根据所述q轴给定电压和所述当前时刻所述电机的q轴电压，通过加减速曲线计算下一时刻所述电机的q轴电压。
根据本发明的一个实施例，所述第一计算单元通过以下公式计算所述电机的q轴给定电压：
Figure BDA0001060277830000042
其中，Vqref为所述电机的q轴给定电压，Vref为所述第一给定电压信号，Vd为所述电机的d轴电压。
根据本发明的一个实施例，所述加减速曲线包括：直线加减速曲线、变加速度曲线或者正弦曲线。
根据本发明的一个实施例，当所述加减速曲线为所述直线加减速曲线时，下一时刻所述电机的q轴电压通过以下公式计算获得：
Figure BDA0001060277830000051
其中，Vqnew为下一时刻所述电机的q轴电压，Vqref为所述电机的q轴给定电压，Vq为当前时刻所述电机的q轴电压，m为步长大小。
根据本发明的一个实施例，所述控制模块，还包括：电流获取单元，用于获取所述电机的q轴电流；第一处理单元，所述第一处理单元与所述电流获取单元相连，用于对所述电机的q轴电流进行PI调节和限幅处理；第二处理单元，所述第二处理单元与所述第一处理单元相连，用于根据限幅处理后的q轴电流对下一时刻所述电机的q轴电压进行调节和限幅处理。
根据本发明的一个实施例，所述第一处理单元通过以下公式对所述电机的q轴电流进行PI调节和限幅处理：
Figure BDA0001060277830000052
Figure BDA0001060277830000053
其中，VqlimMax为限幅处理后的q轴负向限幅电压，VqlimMin为限幅处理后的q轴正向限幅电压，Kp和KI分别为PI调节的比例增益和积分增益，Iqmax为所述电机的q轴最大电流，Iqmin为所述电机的q轴最小电流，Iq为所述电机的q轴电流，Vref max为最大输出电压，Vd为所述电机的d轴电压。
根据本发明的一个实施例，所述第二处理单元通过以下公式对下一时刻所述电机的q轴电压进行调节和限幅处理：
Figure BDA0001060277830000054
其中，Vqz为限幅处理后的下一时刻所述电机的q轴电压，Vqnew为下一时刻所述电机的q轴电压，VqlimMax为限幅处理后的q轴负向限幅电压，VqlimMin为限幅处理后的q轴正向限幅电压，Vref max为最大输出电压，Vd为所述电机的d轴电压。
此外，本发明的实施例还提出了一种飞行器，其包括上述的电机矢量控制装置。
本发明实施例的飞行器，通过上述的电机矢量控制装置，采用直接电压给定的方式对电机进行最大转矩控制，不仅能够减小采用方波控制产生的转矩脉动，减小振动和噪音，而且解决了采用速度闭环控制时造成的失控和机身剧烈抖动的问题，从而提高了飞行器的整体性能。
附图说明
图1是根据本发明实施例的电机矢量控制方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的计算电机的q轴电压的流程图；
图3是根据本发明实施例的电机矢量控制装置的方框示意图；以及
图4是根据本发明一个实施例的电机的控制系统的框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图来描述本发明实施例提出的电机矢量控制方法、装置和飞行器。
图1是根据本发明实施例的电机矢量控制方法的流程图。如图1所示，该电机矢量控制方法包括以下步骤：
S1，接收脉冲位置调制PPM信号。
具体地，在飞行器应用中，可以由飞行控制器输出PPM信号至电子调速器，电子调速器根据接收到的PPM信号对电机进行控制。
例如，在本发明的一个示例中，PPM信号可以为正脉冲宽度为1-2ms，频率可以为50-400Hz的周期性PWM信号。需要说明的是，在本发明的实施例中，PPM信号还可以采用模拟电压或者串口通信等方式进行给定。
S2，根据PPM信号获取电机的第一给定电压信号。
根据本发明的一个实施例，根据PPM信号获取电机的第一给定电压信号，包括：获取PPM信号的脉冲宽度；根据PPM信号的脉冲宽度获取第一给定电压信号。
具体地，可通过下述公式(1)获取第一给定电压信号：
Figure BDA0001060277830000061
其中，Vref为第一给定电压信号，Dutyon为当前PPM信号的脉冲宽度，Dutystart为电机启动时PPM信号的脉冲宽度，Dutymax为电机达到最大输出时PPM信号的脉冲宽度，Vref max为最大输出电压，由于算法中的输出为标幺值，因此Vref max＝1。
S3，采用d轴给定电流为0的控制方式以获取电机的d轴电压。
具体地，可以通过采样电机的三相电压和三相电流，然后通过下述公式(2)对三相电流进行Clark变化，以获得两相静止坐标系中α轴电流和β轴电流。
Figure BDA0001060277830000071
其中，Ia、Ib、Ic为电机的三相电流，Iα、Iβ分别为两相静止坐标系中α轴电流和β轴电流。
并通过下述公式(3)对三相电压进行Clark变化，以获得两相静止坐标系中α轴电压和β轴电压。
Figure BDA0001060277830000072
其中，Va、Vb、Vc为电机的三相电压，Vα、Vβ分别为两相静止坐标系中α轴电压和β轴电压。
然后通过磁链观测法(如模型参考自适应、滑膜控制等)估算出电机的转子磁链角θ，并对两相静止坐标系中α轴电流Iα和β轴电流Iβ进行Park变换，以获得电机的d轴电流和q轴电流，如下述公式(4)所示：
Figure BDA0001060277830000073
其中，Id、Iq分别为电机的d轴电流和q轴电流。
另外，在本发明的实施例中采用d轴给定电流为0的控制方式对电机控制，而d轴给定电流为0的控制方式是指将d轴电流的给定设置为0并作为PI控制器的给定信号，同时将上述公式(4)中获得的d轴电流Id作为PI控制器的反馈信号，经PI控制器闭环调节，使d轴电流Id跟随给定电流，即达到Id＝0。这样电机的电流将全部用于产生电磁转矩，电磁转矩与电枢电流成线性比例关系。其中，通过PI控制器闭环调节后，电机的d轴电压如下述公式(5)所示：
Vd＝Kcp*[(0-Id)+KcI∫(0-Id)dt]，Vd∈[-Vref max,Vref max] (5)
其中，Vd为电机的d轴电压，Kcp、KcI分别为PI控制器的比例增益和积分增益。
S4，根据第一给定电压信号和电机的d轴电压计算下一时刻电机的q轴电压，并根据电机的d轴电压和下一时刻电机的q轴电压对电机进行矢量控制。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，根据第一给定电压信号和电机的d轴电压计算下一时刻电机的q轴电压，包括：
S41，根据第一给定电压信号和电机的d轴电压计算电机的q轴给定电压。
具体地，可通过下述公式(6)计算电机的q轴给定电压：
Figure BDA0001060277830000081
其中，Vqref为电机的q轴给定电压。
S42，获取当前时刻电机的q轴电压。
S43，根据q轴给定电压和当前时刻电机的q轴电压，通过加减速曲线计算下一时刻电机的q轴电压。其中，加减速曲线可包括直线加减速曲线、变加速度曲线或者正弦曲线等。
具体地，当加减速曲线为直线加减速曲线时，下一时刻电机的q轴电压可通过下述公式(7)计算获得：
Figure BDA0001060277830000082
其中，Vqnew为下一时刻电机的q轴电压，Vq为当前时刻电机的q轴电压，m为步长大小，例如，m可以取0.01。
在获得下一时刻电机的q轴电压Vqnew后，根据该q轴电压Vqnew和d轴电压Vd对电机进行矢量控制。
本发明实施例的电机矢量控制方法，采用直接电压给定的方式对电机进行最大转矩控制，实现了电机的输出电压随PPM信号的脉冲宽度变化，这样最高转速也随电池电压变化，以电压为控制量不会出现给定与反馈的偏差，而且通过输出正弦波电流方式，可以减小由传统方波控制产生的转矩脉动，有效减小了飞行器浆的振动和噪声，在稳定姿态时，脉冲宽度的变化将转换为电压变化，转速不会出现快速变化，因此有效解决了速度闭环控制方式带来的速度给定过快而导致飞行器发生稳态抖动的问题。
进一步地，根据本发明的一个实施例，在计算出下一时刻电机的q轴电压之后，还包括：获取电机的q轴电流；对电机的q轴电流进行PI调节和限幅处理；根据限幅处理后的q轴电流对下一时刻电机的q轴电压进行调节和限幅处理。
也就是说，在计算出下一时刻电机的q轴电压之后，还根据电机的q轴电流的限幅结果对最终输出的下一时刻电机的q轴电压进行调整和限幅处理。
根据本发明的一个实施例，可通过下述公式(8)对下一时刻电机的q轴电压进行调节和限幅处理：
Figure BDA0001060277830000091
其中，Vqz为限幅处理后的下一时刻电机的q轴电压，VqlimMax为限幅处理后的q轴负向限幅电压，VqlimMin为限幅处理后的q轴正向限幅电压。
在上述公式中，限幅处理后的q轴负向限幅电压VqlimMax和q轴正向限幅电压VqlimMin可通过下述公式(9)计算获得，即可通过下述公式(9)对电机的q轴电流进行PI调节和限幅处理：
Figure BDA0001060277830000092
其中，Kp和KI分别为PI调节的比例增益和积分增益，Iqmax为电机的q轴最大电流且Iqmax＞0，Iqmin为电机的q轴最小电流且Iqmin＜0。
具体限流过程如下：当Iq＞Iqmax时，通过PI控制器后，将得到一个负的限幅电压VqlimMax，然后将该负值叠加到输出的下一时刻电机的q轴电压Vqnew上，从而使输出的q轴电压Vq减小，q轴电压Vq减小后，q轴电流Iq也相应减小，从而形成负反馈闭环系统。负反馈闭环控制可以使系统的正向最大电流不超过q轴最大电流Iqmax，同时可以实现在加速过程中以设定的最大电流进行加速，提高电机的响应速度。
当Iqmin<Iq<Iqmax时，经限幅处理后，VqlimMax和VqlimMin将被设置为0，以实现q轴电压Vq跟随q轴给定电压Vqref变化。
当Iq＜Iqmin时，通过PI控制器后，将得到一个正的限幅电压VqlimMin，将此值叠加到输出的下一时刻电机的q轴电压Vqnew上，从而使输出的q轴电压Vq增大，q轴电压Vq增大后，q轴电流Iq也相应减大，从而形成负反馈闭环系统，达到电流限幅作用。
最后，根据上述公式(8)得到的下一时刻电机的q轴电压Vqz和上述公式(5)得到d轴电压Vd，经过SVPMW(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉冲宽度调制)的方式转换为六路PWM信号的输出信号，以驱动功率开关管对电机进行控制。
因此，本发明实施例的电机矢量控制方法，通过对正反向最大电流的控制，实现了电机以最大转矩进行加减速运行，提高了系统的响应速度。
综上所述，根据本发明实施例的电机矢量控制方法，接收PPM信号，并根据PPM信号获取电机的第一给定电压信号，然后，采用d轴给定电流为0的控制方式以获取电机的d轴电压，并根据第一给定电压信号和电机的d轴电压计算下一时刻电机的q轴电压，最后，根据电机的d轴电压和下一时刻电机的q轴电压对电机进行矢量控制。该方法采用直接电压给定的方式对电机进行最大转矩控制，不仅能够减小采用方波控制产生的转矩脉动，减小振动和噪音，而且解决了采用速度闭环控制时造成的失控和机身剧烈抖动的问题，另外，通过对正反向最大电流的控制，实现了电机以最大转矩进行加减速运行，提高了系统的响应速度。
图3是根据本发明实施例的电机矢量控制装置的方框示意图。如图3所示，该电机矢量控制装置，包括：接收模块10、电压给定模块20和控制模块30。
具体地，接收模块10用于接收脉冲位置调制PPM信号。
例如，在飞行器应用中，可以由飞行控制器输出PPM信号至电子调速器，电子调速器中的接收模块10接收脉冲位置调制PPM信号，然后根据接收到的PPM信号对电机进行控制。
在本发明的一个示例中，PPM信号为正脉冲宽度为1-2ms，频率为50-400Hz的周期性PWM信号。需要说明的是，在本发明的实施例中，PPM信号还可以采用模拟电压或者串口通信等方式进行给定。
电压给定模块20与接收模块10相连，用于根据PPM信号获取电机的第一给定电压信号。
根据本发明的一个实施例，电压给定模块20在根据PPM信号获取电机的第一给定电压信号时，其中，电压给定模块20获取PPM信号的脉冲宽度，并根据PPM信号的脉冲宽度获取第一给定电压信号。具体可通过上述公式(1)获取第一给定电压信号Vref。
控制模块30与电压给定模块20相连，用于采用d轴给定电流为0的控制方式以获取电机的d轴电压，并根据第一给定电压信号和电机的d轴电压计算下一时刻电机的q轴电压，以及根据电机的d轴电压和下一时刻电机的q轴电压对电机进行矢量控制。
具体地，如图4所示，控制模块30在获取电机的d轴电压时，可采样电机的三相电压Va、Vb、Vc和三相电流Ia、Ib、Ic，然后通过上述公式(2)对三相电流Ia、Ib、Ic进行Clark变化，以获得两相静止坐标系中α轴电流Iα和β轴电流Iβ，并通过上述公式(3)对三相电压Va、Vb、Vc进行Clark变化，以获得两相静止坐标系中α轴电压Vα和β轴电压Vβ。然后，通过磁链观测法(如模型参考自适应、滑膜控制等)估算出电机的转子磁链角θ，并对两相静止坐标系中α轴电流Iα和β轴电流Iβ进行Park变换，以获得电机的d轴电流Id和q轴电流Iq，如上述公式(4)所示。
另外，在本发明的实施例中，控制模块30采用d轴给定电流为0(即
Figure BDA0001060277830000111
)的控制方式对电机控制，而d轴给定电流为0的控制方式是指将d轴电流的给定设置为0并作为PI控制器的给定信号，同时将上述公式(4)中获得的d轴电流Id作为PI控制器的反馈信号，经PI控制器闭环调节，使d轴电流Id跟随给定电流，即达到Id＝0。这样电机的电流将全部用于产生电磁转矩，电磁转矩与电枢电流成线性比例关系。其中，通过PI控制器闭环调节后，电机的d轴电压Vd如上述公式(5)所示。
然后，控制模块30根据第一给定电压信号Vref和电机的d轴电压Vd计算下一时刻电机的q轴电压。
根据本发明的一个实施例，如图4所示，控制模块30包括：第一计算单元31和第二计算单元32，其中，第一计算单元31用于根据第一给定电压信号和电机的d轴电压计算电机的q轴给定电压；第二计算单元32与第一计算单元31相连，用于获取当前时刻电机的q轴电压，并根据q轴给定电压和当前时刻电机的q轴电压，通过加减速曲线计算下一时刻电机的q轴电压。
具体地，第一计算单元31可通过上述公式(6)计算电机的q轴给定电压Vqref。加减速曲线可包括直线加减速曲线、变加速度曲线或者正弦曲线等，其中，当加减速曲线为直线加减速曲线时，第二计算单元32可通过上述公式(7)计算获得下一时刻电机的q轴电压Vqnew。
在获得下一时刻电机的q轴电压Vqnew后，控制模块30根据该q轴电压Vqnew和d轴电压Vd对电机进行矢量控制。
本发明实施例的电机矢量控制装置，采用直接电压给定的方式对电机进行最大转矩控制，实现了电机的输出电压随PPM信号的脉冲宽度变化，这样最高转速也随电池电压变化，以电压为控制量不会出现给定与反馈的偏差，而且通过输出正弦波电流方式，可以减小由传统方波控制产生的转矩脉动，有效减小了飞行器浆的振动和噪声，在稳定姿态时，脉冲宽度的变化将转换为电压变化，转速不会出现快速变化，因此有效解决了速度闭环控制方式带来的速度给定过快而导致飞行器发生稳态抖动的问题。
进一步地，根据本发明的一个实施例，如图4所示，控制模块30还包括：电流获取单元、第一处理单元33和第二处理单元34，其中，电流获取单元用于获取电机的q轴电流；第一处理单元33与电流获取单元相连，用于对电机的q轴电流进行PI调节和限幅处理；第二处理单元34与第一处理单元33相连，用于根据限幅处理后的q轴电流对下一时刻电机的q轴电压进行调节和限幅处理。
也就是说，在第二计算单元32计算出下一时刻电机的q轴电压Vqnew之后，第二处理单元34还根据电机的q轴电流的限幅结果对最终输出的下一时刻电机的q轴电压进行调整和限幅处理。具体地，第二处理单元34可通过上述公式(8)对下一时刻电机的q轴电压Vqnew进行调节和限幅处理，其中，限幅处理后的q轴负向限幅电压VqlimMax和q轴正向限幅电压VqlimMin可通过上述公式(9)计算获得，即第一处理单元33可通过上述公式(9)对电机的q轴电流进行PI调节和限幅处理。
具体限流过程如下：当Iq＞Iqmax时，通过PI控制器后，将得到一个负的限幅电压VqlimMax，然后将该负值叠加到输出的下一时刻电机的q轴电压Vqnew上，从而使输出的q轴电压Vq减小，q轴电压Vq减小后，q轴电流Iq也相应减小，从而形成负反馈闭环系统。负反馈闭环控制可以使系统的正向最大电流不超过q轴最大电流Iqmax，同时可以实现在加速过程中以设定的最大电流进行加速，提高电机的响应速度。
当Iqmin<Iq<Iqmax时，经限幅处理后，VqlimMax和VqlimMin将被设置为0，以实现q轴电压Vq跟随q轴给定电压Vqref变化。
当Iq＜Iqmin时，通过PI控制器后，将得到一个正的限幅电压VqlimMin，将此值叠加到输出的下一时刻电机的q轴电压Vqnew上，从而使输出的q轴电压Vq增大，q轴电压Vq增大后，q轴电流Iq也相应减大，从而形成负反馈闭环系统，达到电流限幅作用。
最后，控制模块30根据上述公式(8)得到的下一时刻电机的q轴电压Vqz和上述公式(5)得到d轴电压Vd，经过SVPMW(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉冲宽度调制)的方式转换为六路PWM信号的输出信号，以驱动功率开关管对电机进行控制。
因此，本发明实施例的电机矢量控制装置，通过对正反向最大电流的控制，实现了电机以最大转矩进行加减速运行，提高了系统的响应速度。
根据本发明实施例的电机矢量控制装置，通过接收模块接收PPM信号，电压给定模块根据PPM信号获取电机的第一给定电压信号，控制模块采用d轴给定电流为0的控制方式以获取电机的d轴电压，并根据第一给定电压信号和电机的d轴电压计算下一时刻电机的q轴电压，以及根据电机的d轴电压和下一时刻电机的q轴电压对电机进行矢量控制。该装置采用直接电压给定的方式对电机进行最大转矩控制，不仅能够减小采用方波控制产生的转矩脉动，减小振动和噪音，而且解决了采用速度闭环控制时造成的失控和机身剧烈抖动的问题，另外，通过对正反向最大电流的控制，实现了电机以最大转矩进行加减速运行，提高了系统的响应速度。
此外，本发明的实施例还提出了一种飞行器，其包括上述的电机矢量控制装置。
本发明实施例的飞行器，通过上述的电机矢量控制装置，采用直接电压给定的方式对电机进行最大转矩控制，不仅能够减小采用方波控制产生的转矩脉动，减小振动和噪音，而且解决了采用速度闭环控制时造成的失控和机身剧烈抖动的问题，从而提高了飞行器的整体性能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (21)

1.一种电机矢量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收脉冲位置调制PPM信号；
根据所述PPM信号获取电机的第一给定电压信号；
采用d轴给定电流为0的控制方式以获取电机的d轴电压；
根据所述第一给定电压信号和所述电机的d轴电压计算下一时刻所述电机的q轴电压，并根据所述电机的d轴电压和下一时刻所述电机的q轴电压对所述电机进行矢量控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述PPM信号获取电机的第一给定电压信号，包括：
获取所述PPM信号的脉冲宽度；
根据所述PPM信号的脉冲宽度获取所述第一给定电压信号。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过以下公式获取所述第一给定电压信号：
Figure FDA0002727708450000011
其中，Vref为所述第一给定电压信号，Dutyon为当前PPM信号的脉冲宽度，Dutystart为所述电机启动时PPM信号的脉冲宽度，Dutymax为所述电机达到最大输出时PPM信号的脉冲宽度，Vrefmax为最大输出电压。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一给定电压信号和所述电机的d轴电压计算下一时刻所述电机的q轴电压，包括：
根据所述第一给定电压信号和所述电机的d轴电压计算所述电机的q轴给定电压；
获取当前时刻所述电机的q轴电压；
根据所述q轴给定电压和所述当前时刻所述电机的q轴电压，通过加减速曲线计算下一时刻所述电机的q轴电压。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述电机的q轴给定电压：
Figure FDA0002727708450000021
其中，Vqref为所述电机的q轴给定电压，Vref为所述第一给定电压信号，Vd为所述电机的d轴电压。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述加减速曲线包括：直线加减速曲线、变加速度曲线或者正弦曲线。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述加减速曲线为所述直线加减速曲线时，下一时刻所述电机的q轴电压通过以下公式计算获得：
Figure FDA0002727708450000022
其中，Vqnew为下一时刻所述电机的q轴电压，Vqref为所述电机的q轴给定电压，Vq为当前时刻所述电机的q轴电压，m为步长大小。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在计算出下一时刻所述电机的q轴电压之后，还包括：
获取所述电机的q轴电流；
对所述电机的q轴电流进行PI调节和限幅处理；
根据PI调节和限幅处理后的q轴电流对下一时刻所述电机的q轴电压进行调节和限幅处理。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过以下公式对所述电机的q轴电流进行PI调节和限幅处理：
Figure FDA0002727708450000023
Figure FDA0002727708450000024
其中，VqlimMax为限幅处理后的q轴负向限幅电压，VqlimMin为限幅处理后的q轴正向限幅电压，Kp和KI分别为PI调节的比例增益和积分增益，Iqmax为所述电机的q轴最大电流，Iqmin为所述电机的q轴最小电流，Iq为所述电机的q轴电流，Vrefmax为最大输出电压，Vd为所述电机的d轴电压。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过以下公式对下一时刻所述电机的q轴电压进行调节和限幅处理：
Figure FDA0002727708450000031
其中，Vqz为限幅处理后的下一时刻所述电机的q轴电压，Vqnew为下一时刻所述电机的q轴电压，VqlimMax为限幅处理后的q轴负向限幅电压，VqlimMin为限幅处理后的q轴正向限幅电压，Vrefmax为最大输出电压，Vd为所述电机的d轴电压。
11.一种电机矢量控制装置，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收脉冲位置调制PPM信号；
电压给定模块，所述电压给定模块与所述接收模块相连，用于根据所述PPM信号获取电机的第一给定电压信号；
控制模块，所述控制模块与所述电压给定模块相连，用于采用d轴给定电流为0的控制方式以获取电机的d轴电压，并根据所述第一给定电压信号和所述电机的d轴电压计算下一时刻所述电机的q轴电压，以及根据所述电机的d轴电压和下一时刻所述电机的q轴电压对所述电机进行矢量控制。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电压给定模块在根据所述PPM信号获取电机的第一给定电压信号时，其中，
所述电压给定模块获取所述PPM信号的脉冲宽度，并根据所述PPM信号的脉冲宽度获取所述第一给定电压信号。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述电压给定模块通过以下公式获取所述第一给定电压信号：
Figure FDA0002727708450000032
其中，Vref为所述第一给定电压信号，Dutyon为当前PPM信号的脉冲宽度，Dutystart为所述电机启动时PPM信号的脉冲宽度，Dutymax为所述电机达到最大输出时PPM信号的脉冲宽度，Vrefmax为最大输出电压。
14.如权利要求11-13中任一项所述的装置，其特征在于，所述控制模块，包括：
第一计算单元，用于根据所述第一给定电压信号和所述电机的d轴电压计算所述电机的q轴给定电压；
第二计算单元，所述第二计算单元与所述第一计算单元相连，用于获取当前时刻所述电机的q轴电压，并根据所述q轴给定电压和所述当前时刻所述电机的q轴电压，通过加减速曲线计算下一时刻所述电机的q轴电压。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第一计算单元通过以下公式计算所述电机的q轴给定电压：
Figure FDA0002727708450000041
其中，Vqref为所述电机的q轴给定电压，Vref为所述第一给定电压信号，Vd为所述电机的d轴电压。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述加减速曲线包括：直线加减速曲线、变加速度曲线或者正弦曲线。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，当所述加减速曲线为所述直线加减速曲线时，下一时刻所述电机的q轴电压通过以下公式计算获得：
Figure FDA0002727708450000042
其中，Vqnew为下一时刻所述电机的q轴电压，Vqref为所述电机的q轴给定电压，Vq为当前时刻所述电机的q轴电压，m为步长大小。
18.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述控制模块，还包括：
电流获取单元，用于获取所述电机的q轴电流；
第一处理单元，所述第一处理单元与所述电流获取单元相连，用于对所述电机的q轴电流进行PI调节和限幅处理；
第二处理单元，所述第二处理单元与所述第一处理单元相连，用于根据PI调节和限幅处理后的q轴电流对下一时刻所述电机的q轴电压进行调节和限幅处理。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述第一处理单元通过以下公式对所述电机的q轴电流进行PI调节和限幅处理：
Figure FDA0002727708450000043
Figure FDA0002727708450000044
其中，VqlimMax为限幅处理后的q轴负向限幅电压，VqlimMin为限幅处理后的q轴正向限幅电压，Kp和KI分别为PI调节的比例增益和积分增益，Iqmax为所述电机的q轴最大电流，Iqmin为所述电机的q轴最小电流，Iq为所述电机的q轴电流，Vrefmax为最大输出电压，Vd为所述电机的d轴电压。
20.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述第二处理单元通过以下公式对下一时刻所述电机的q轴电压进行调节和限幅处理：
Figure FDA0002727708450000051
其中，Vqz为限幅处理后的下一时刻所述电机的q轴电压，Vqnew为下一时刻所述电机的q轴电压，VqlimMax为限幅处理后的q轴负向限幅电压，VqlimMin为限幅处理后的q轴正向限幅电压，Vrefmax为最大输出电压，Vd为所述电机的d轴电压。
21.一种飞行器，其特征在于，包括如权利要求11-20中任一项所述的电机矢量控制装置。
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