CN108195512A - 一种无人机电机转动惯量测量方法及测量装置 - Google Patents

一种无人机电机转动惯量测量方法及测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于无人机电机转动惯量测量技术领域，公开了一种无人机电机转动惯量测量方法及测量装置，主要解决便捷快速准确地测量无人机电机转动惯量的技术问题。本发明公开的方法包括如下步骤：获取无人机电机的第一空载转矩；获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速和第二时刻的第二转速；根据电机运动方程以及所述空载转矩、所述恒定转矩、所述第一时刻、所述第二时刻、所述第一转速和所述第二转速得出无人机电机转动惯量并作为结果输出。本发明利用电子调速器驱动无人机永磁无刷电机实现快速便捷准确的测量电机转动惯量测量，可广泛应用于无人机电机转动惯量的测量领域。

Description

一种无人机电机转动惯量测量方法及测量装置
技术领域
本发明属于无人机电机转动惯量测量技术领域，尤其涉及一种利用电子调速器与测功机配合驱动无人机内电机运行实现快速便捷准确的测量电机转动惯量的测量行业，具体的说是一种无人机电机转动惯量测量方法及测量装置。
背景技术
近年来电动无人机发展迅猛，在军事、公安、农业、航拍等领域用用广泛。目前多旋翼无人机绝大部分都采用永磁无刷电机驱动。永磁无刷电机结构简单、体积小、运行效率高、功率因数高、转动惯量小，被广泛应用在航天、电动汽车等驱动系统中，永磁无刷电机的特性，直接影响着驱动系统的性能。永磁无刷电机的参数尤其是转动惯量的准确性，直接影响着驱动系统的控制方法。
无人机永磁无刷电机的特性在于其既可以使用电子调速器驱动，又可以使用矢量控制器(FOC电调)驱动。
目前，电机转动惯量的测量通常是采用速度传感器测量电机速度与时间的关系，但是该方法受限于速度传感器，其速度测量精度直接影响转动惯量测量精度，传统方法直接受速度传感器精度的影响，而且无法测量没有速度传感器的电机转动惯量等参数。
因此，现在迫切需要需要研制出一种不需要速度传感器，仅利用无人机内永磁无刷电机的特性就可以实现无人机电机转动惯量测量的方法及测量装置。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种无人机电机转动惯量测量方法及测量装置。本发明提供的无人机电机转动惯量测量方法及其测量装置不需要在无人机和电机内安装速度传感器，仅利用无人机电机的特性就可以实现对无人机电机转动惯量测量的技术目的。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
根据本发明的一方面，一种无人机电机转动惯量测量方法，包括：
获取无人机电机的第一空载转矩；
获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速和第二时刻的第二转速；
根据电机运动方程以及所述空载转矩、所述恒定转矩、所述第一时刻、所述第二时刻、所述第一转速和所述第二转速得出无人机电机转动惯量并作为结果输出。
进一步的，获取无人机电机的第一空载转矩，包括：
无人机电机通过联轴器与测功机连接；
测功机对无人机电机不施加负载转矩；
通过测功机软件获取无人机电机的第一空载转矩。
进一步的，无人机电机转动惯量测量方法，还包括：
信号发生器向电子调速器发出控制信号；
电子调速器驱动无人机电机转动并控制无人机电机在某一空载转速稳定运行；
通过电子调速器软件记录所述空载转速；
所述空载转速与所述第二转速的差值在预定范围内，以保持获取所述第二转速时无人机电机的所述第一空载转矩与记录所述空载转速时无人机电机的空载转矩相同，以便将误差降到最低。
进一步的，获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速和第二时刻的第二转速，包括：
保持无人机定子端开路；
测功机对无人机电机施加恒定转矩；
无人机电机加速运行；
通过测功机软件获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
通过测功机软件获取无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
进一步的，根据电机运动方程以及所述空载转矩、所述恒定转矩、所述第一时刻、所述第二时刻、所述第一转速和所述第二转速计算无人机电机转动惯量并作为结果输出，包括：
无人机电机转动惯量为：
其中，Tm为测功机对无人机电机施加恒定转矩值；
T0为无人机电机的第一空载转矩；
t1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻；
t2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻；
ω1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
ω2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
根据本发明的另一方面，一种无人机电机转动惯量测量装置，包括：
转矩采集单元：配置用于获取无人机电机的第一空载转矩；
转速采集单元：配置用于获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速和第二时刻的第二转速；
转动惯量计算单元：配置用于根据电机运动方程以及所述空载转矩、所述恒定转矩、所述第一时刻、所述第二时刻、所述第一转速和所述第二转速得出无人机电机转动惯量并作为结果输出。
进一步的，转速采集单元，包括：
电机连接单元：配置为联轴器，用于连接无人机电机与测功机；
零负载转矩单元：配置为测功机，用于对无人机电机不施加负载转矩；
转矩采集子单元：配置为测功机软件，用于获取无人机电机的第一空载转矩。
进一步的，无人机电机转动惯量测量装置，还包括:
控制信号单元：配置为信号发生器，用于向电子调速器发出控制信号；
稳定运行单元：配置为电子调速器，用于驱动无人机电机转动并控制无人机电机在某一空载转速稳定运行；
空载转速记录单元：配置为电子调速器软件，用于记录所述空载转速。
进一步的，转速采集单元，包括：
定子端开路单元：配置用于保持无人机定子端开路；
恒定转矩单元：配置为测功机，用于对无人机电机施加恒定转矩；
电机加速单元：配置用于无人机电机加速运行；
转速采集第一子单元：配置为测功机软件，用于获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
转速采集第二子单元：配置为测功机软件，用于获取无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
进一步的，转动惯量计算单元：配置为中央处理器，用于根据电机运动方程以及所述空载转矩、所述恒定转矩、所述第一时刻、所述第二时刻、所述第一转速和所述第二转速计算无人机电机转动惯量并作为结果输出；
无人机电机转动惯量为：
其中，Tm为测功机对无人机电机施加恒定转矩值；
T0为无人机电机的第一空载转矩；
t1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻；
t2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻；
ω1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
ω2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
根据本发明的另一方面，一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，该程序被处理器执行时实现如上任一项所述的方法。
本发明的有益效果是：
1、本发明公开的无人机电机转动惯量测量方法及测量装置，利用了无人机内电机的特性，通过测功机与电子调速器的配合驱动无人机电机转动，测量电机空载转矩值，结构简单，使用方便。
2、本发明公开的无人机电机转动惯量测量方法及测量装置，实现了不需要在无人机内安装速度传感器，就可以测量无人机电机的转动惯量，从而避免了应用速度传感器产生的误差，能够对无人机电机的转动惯量进行准确测量，从而进一步确保了无人机电机参数测量的准确性。
3、本发明公开的无人机电机转动惯量测量方法及测量装置，为无人机电机转动惯量的测量，提供了一种全新的测量原理和计算转动惯量的方法，与目前现有的电机转动惯量的测量计算方法有着本质的不同，而且本发明公开的测量方法及测量装置，实现起来更加简单，测量精度也更高。
附图说明
图1为本发明实施例一提出的无人机电机转动惯量测量方法过程示意图；
图2为本发明实施例一提出的无人机电机转动惯量测量装置结构示意图，
其中，1测功机控制柜，2测功机，3无人机电机，4电子调速器(ESC),5信号发生器，6直流电源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一：
如图1所示，本实施例的一种无人机电机转动惯量测量方法，包括：
获取无人机电机的第一空载转矩；
获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速和第二时刻的第二转速；
根据电机运动方程以及空载转矩、恒定转矩、第一时刻、第二时刻、第一转速和第二转速得出无人机电机转动惯量并作为结果输出。
获取无人机电机的第一空载转矩，包括：
无人机电机通过联轴器与测功机连接；
测功机对无人机电机不施加负载转矩；
通过测功机软件获取无人机电机的第一空载转矩。
本实施例示例的，无人机电机转动惯量测量方法，还包括：
信号发生器向电子调速器发出控制信号；
电子调速器驱动无人机电机转动并控制无人机电机在某一空载转速稳定运行；
通过电子调速器软件记录空载转速；
空载转速与第二转速的差值在预定范围内，以保持获取第二转速时无人机电机的第一空载转矩与记录空载转速时无人机电机的空载转矩相同，以便将误差降到最低。
获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速和第二时刻的第二转速，包括：
保持无人机定子端开路；
测功机对无人机电机施加恒定转矩；
无人机电机加速运行；
通过测功机软件获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
通过测功机软件获取无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
根据电机运动方程以及空载转矩、恒定转矩、第一时刻、第二时刻、第一转速和第二转速计算无人机电机转动惯量并作为结果输出，包括：
无人机电机转动惯量为：
其中，Tm为测功机对无人机电机施加恒定转矩值；
T0为无人机电机的第一空载转矩；
t1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻；
t2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻；
ω1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
ω2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
如图2所示，本实施例的一种无人机电机转动惯量测量装置，包括：
转矩采集单元：配置用于获取无人机电机的第一空载转矩；
转速采集单元：配置用于获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速和第二时刻的第二转速；
转动惯量计算单元：配置用于根据电机运动方程以及空载转矩、恒定转矩、第一时刻、第二时刻、第一转速和第二转速得出无人机电机转动惯量并作为结果输出。
本实施例示例的，转速采集单元，包括：
电机连接单元：配置为联轴器，用于连接无人机电机与测功机；
零负载转矩单元：配置为测功机，用于对无人机电机不施加负载转矩；
转矩采集子单元：配置为测功机软件，用于获取无人机电机的第一空载转矩。
本实施例示例的，无人机电机转动惯量测量装置，还包括:
控制信号单元：配置为信号发生器，用于向电子调速器发出控制信号；
稳定运行单元：配置为电子调速器，用于驱动无人机电机转动并控制无人机电机在某一空载转速稳定运行；
空载转速记录单元：配置为电子调速器软件，用于记录所述空载转速。
本实施例示例的，转速采集单元，包括：
定子端开路单元：配置用于保持无人机定子端开路；
恒定转矩单元：配置为测功机，用于对无人机电机施加恒定转矩；
电机加速单元：配置用于无人机电机加速运行；
转速采集第一子单元：配置为测功机软件，用于获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
转速采集第二子单元：配置为测功机软件，用于获取无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
本实施例示例的，转动惯量计算单元：配置为中央处理器，用于根据电机运动方程以及空载转矩、恒定转矩、第一时刻、第二时刻、第一转速和第二转速计算无人机电机转动惯量并作为结果输出；
无人机电机转动惯量为：
其中，Tm为测功机对无人机电机施加恒定转矩值；
T0为无人机电机的第一空载转矩；
t1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻；
t2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻；
ω1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
ω2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
本实施例示例的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，该程序被处理器执行时实现如上任一项所述的方法。
为便于对本发明的理解，下面以本发明的测量原理，结合实施例中的测量过程，对本发明提供的无人机电机转动惯量测量方法及测量装置做进一步的描述：
根据简化的无人机电机运动方程：
在无人机电机恒定转矩驱动过程中，测量一个时间段内电机转速的变化，即可计算得转动惯量。
通过本实施例示例的无人机电机转动惯量测量方法及测量装置进行测量时，首先通过联轴器将无人机电机与电机测功机连接。
通过信号发生器向电子调速器(ESC)发送转速控制信号，利用无人机电子调速器(ESC)控制无人机电机转动，并使无人机电机在某一空载转速稳定运行，并记录该空载转速，标记为ω0，并输送至中央处理器。
此时，测功机不向无人机电机施加负载转矩，通过测功机软件读取电机输出的转矩，即为无人机电机在测功机零负载转矩下运行时的第一空载转矩，标记为T0，并输送至中央处理器。
然后，保持无人机电机定子端开路，通过测功机向无人机电机施加恒定转矩，标记为Tm，拖动无人机电机加速运行，并通过测功机软件分别记录无人机电机恒定转矩Tm驱动下第一时刻t1的第一转速ω1和第二时刻t2的第二转速ω2，并输送至中央处理器。
数据记录时，应该使第二转速ω2与空载转速ω0不要相差太大，这样可以保持获取第二转速ω2时无人机电机的第一空载转矩与记录空载转速ω0时无人机电机的空载转矩相同，把可能的误差降到最小。
在本实施例中，值得注意的是，即使第二转速ω2与空载转速ω0相差很大，对于无人机电机转动惯量的最终测量结果影响也是很小。
最后，根据电机运动方程以及空载转矩、恒定转矩、第一时刻、第二时刻、第一转速和第二转速，通过中央处理器计算无人机电机转动惯量并作为结果输出；
无人机电机转动惯量为：
其中，Tm为测功机对无人机电机施加恒定转矩值；
T0为无人机电机的第一空载转矩；
t1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻；
t2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻；
ω1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
ω2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
除去实施例一所述的外，本发明示例的无人机电机转动惯量测量方法及测量装置除了可以用于测量永磁无刷直流电机(BLDCM)的转动惯量外还可以用于测量永磁无刷交流电机(PMSM)的转动惯量。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (11)

1.一种无人机电机转动惯量测量方法，其特征在于，包括：
获取无人机电机的第一空载转矩；
获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速和第二时刻的第二转速；
根据电机运动方程以及所述空载转矩、所述恒定转矩、所述第一时刻、所述第二时刻、所述第一转速和所述第二转速得出无人机电机转动惯量并作为结果输出。
2.根据权利要求1所述的一种无人机电机转动惯量测量方法，其特征在于，所述获取无人机电机的第一空载转矩，包括：
无人机电机通过联轴器与测功机连接；
测功机对无人机电机不施加负载转矩；
获取无人机电机的第一空载转矩。
3.根据权利要求1所述的一种无人机电机转动惯量测量方法，其特征在于，还包括：
信号发生器向电子调速器发出控制信号；
电子调速器驱动无人机电机转动并控制无人机电机在某一空载转速稳定运行；
记录所述空载转速；
所述空载转速与所述第二转速的差值在预定范围内，以保持获取所述第二转速时无人机电机的所述第一空载转矩与记录所述空载转速时无人机电机的空载转矩相同。
4.根据权利要求1所述的一种无人机电机转动惯量测量方法，其特征在于，所述获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速和第二时刻的第二转速，包括：
保持无人机定子端开路；
测功机对无人机电机施加恒定转矩；
无人机电机加速运行；
获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
获取无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
5.根据权利要求1所述的一种无人机电机转动惯量测量方法，其特征在于，根据电机运动方程以及所述空载转矩、所述恒定转矩、所述第一时刻、所述第二时刻、所述第一转速和所述第二转速计算无人机电机转动惯量并作为结果输出，包括：
无人机电机转动惯量为：
其中，Tm为测功机对无人机电机施加恒定转矩值；
T0为无人机电机的第一空载转矩；
t1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻；
t2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻；
ω1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
ω2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
6.一种无人机电机转动惯量测量装置，其特征在于，包括：
转矩采集单元：配置用于获取无人机电机的第一空载转矩；
转速采集单元：配置用于获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速和第二时刻的第二转速；
转动惯量计算单元：配置用于根据电机运动方程以及所述空载转矩、所述恒定转矩、所述第一时刻、所述第二时刻、所述第一转速和所述第二转速得出无人机电机转动惯量并作为结果输出。
7.根据权利要求6所述的一种无人机电机转动惯量测量装置，其特征在于，所述转矩采集单元，包括：
电机连接单元：配置用于无人机电机通过联轴器与测功机连接；
零负载转矩单元：配置用于测功机对无人机电机不施加负载转矩；
转矩采集子单元：配置用于获取无人机电机的第一空载转矩。
8.根据权利要求6所述的一种无人机电机转动惯量测量装置，其特征在于，还包括:
控制信号单元：配置用于信号发生器向电子调速器发出控制信号；稳定运行单元：配置用于电子调速器驱动无人机电机转动并控制无人机电机在某一空载转速稳定运行；
空载转速记录单元：配置用于记录所述空载转速。
9.根据权利要求6所述的一种无人机电机转动惯量测量装置，其特征在于，所述转速采集单元，包括：
定子端开路单元：配置用于保持无人机定子端开路；
恒定转矩单元：配置用于测功机对无人机电机施加恒定转矩；
电机加速单元：配置用于无人机电机加速运行；
转速采集第一子单元：配置用于获取无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
转速采集第二子单元：配置用于获取无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
10.根据权利要求6所述的一种无人机电机转动惯量测量装置，其特征在于，所述转动惯量计算单元：配置用于根据电机运动方程以及所述空载转矩、所述恒定转矩、所述第一时刻、所述第二时刻、所述第一转速和所述第二转速计算无人机电机转动惯量并作为结果输出；
无人机电机转动惯量为：
其中，Tm为测功机对无人机电机施加恒定转矩值；
T0为无人机电机的第一空载转矩；
t1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻；
t2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻；
ω1为无人机电机恒定转矩驱动下第一时刻的第一转速；
ω2为无人机电机恒定转矩驱动下第二时刻的第二转速。
11.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。
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