CN108322121A - 一种无人机电机转子初始位置检测方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机电机转子初始位置检测方法、装置、设备和存储介质，可以便捷快速准确地测量无人机电机转子的初始位置。本发明公开的方法包括如下步骤：在待测电机的同步旋转坐标系中的d轴注入脉振高频电压信号；计算q轴电流值；所述q轴电流与调制信号相乘计算乘积信号；利用低通滤波器对所述乘积信号进行过滤，获得滤波信号；所述滤波信号通过PI调节器求得无人机电机转子估算转速值；所述转子估算转速值经过积分器求得无人机电机转子初始估算位置。本发明提供的检测方法不需要通过带通滤波器和位置传感器，解决了传统脉振高频注入法带来的高频电流信号幅值衰减和相位滞后、无人机不适合安装传感器以及转子存在转动等技术问题。
Description
技术领域
本发明属于无人机电机检测技术领域，尤其涉及一种利用脉振高频注入法向无人机内永磁无刷电机注入高频信号检测电机转子初始位置的行业，具体的说是一种无人机电机转子初始位置检测方法、装置、设备及存储介质。
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。无人机电机的启动阶段需要预先判断转子的初始位置，转子初始位置判断的准确性关系到电机的起动稳定性和加速性能，以及正常运行过程中的控制性能。如果不能精确估算初始位置，电机的启动转矩减小，有可能失步而导致失败，也有可能出现转子位置突变和短暂反转，这在某些应用领域是不允许的。
目前，无人机内的永磁无刷电机均为表贴式隐极电机，其凸极性并不明显，因此采用旋转高频注入法不适用于检测无人机电机的转子初始位置。而脉振高频注入法能够通过将高频信号注入电机，构造出电机饱和凸极性，能够同时适用于凸极式或隐极式永磁无刷电机。因此目前均采用脉振高频注入法对无人机电机转子的初始位置进行检测。脉振高频电压注入法是通过在估算的转子参考坐标系的d^轴上注入一个高频正弦载波信号，在静止坐标系下表现为脉动电压信号。此方法对轴产生的转矩电流影响小，产生的电磁转矩脉动小。同时该方法不但可用于内置式永磁无刷电机PMSM，还可用于不具凸极或凸极不明显的面贴式永磁无刷电机PMSM。脉振高频电压注入法算法结构相对简单，能够实时跟踪实际值，无需补偿。
目前，传统的脉振高频注入法在获取轴高频电流信号时，采用的是先通过带通滤波器得到高频电流信号，然后将高频电流信号乘以调制信号sin(ωht)，之后再经过低通滤波器得到转子位置误差信号f(Δθ)。但是，高频电流信号通过带通滤波器后，会给需要提取的高频电流信号带来幅值衰减和相位滞后的问题，进而造成无人机电机转子初始位置检测系统的不稳定。
而且，在现有技术中检测无人机电机转子初始位置通常采用位置传感器，这样一方面会提高检测成本，另一方面在无人机领域不适合安装传感器。
同时，现有技术中预定位方法转子存在转动，在某些情况下是不允许的。
因此，现在迫切需要需要研究出一种基于脉振高频电压注入的无人机电机转子初始位置检测方法、装置、设备及存储介质，该检测方法不需要通过带通滤波器和位置传感器就可以实现无人机电机转子初始位置检测，从而解决了传统的脉振高频注入法带来的高频电流信号幅值衰减和相位滞后、无人机不适合安装传感器以及转子存在转动等技术问题。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种无人机电机转子初始位置检测方法、装置、设备及存储介质。本发明提供的无人机电机转子初始位置检测方法不需要带通滤波器就可以实现对无人机电机初始位置的检测，从而解决传统的脉振高频注入法带来的高频电流信号幅值衰减和相位滞后问题。
为实现上述目的，本申请实施例提供了一种无人机电机转子初始位置检测方法，包括：在待测电机的同步旋转坐标系中的d轴注入脉振高频电压信号；计算q轴电流值；所述q轴电流与调制信号相乘计算乘积信号；利用低通滤波器对所述乘积信号进行过滤，获得滤波信号；所述滤波信号通过PI调节器求得无人机电机转子估算转速值；所述转子估算转速值经过积分器求得无人机电机转子初始估算位置。
进一步的，求得无人机电机转子初始估算位置之后还包括：以所述初始估算位置作为无人机电机转子初始位置，循环执行所述检测方法，获得无人机电机转子准确初始位置。
进一步的，计算q轴电流值，包括：所述脉振高频电压信号通过电流传感器检测获得三相电流；所述三相电流通过Clarke/Park变换，计算两相旋转坐标系的q轴电流值和d轴电流值。
进一步的，q轴电流与调制信号相乘获得乘积信号，包括：所述q轴电流值中直流分量与调制信号相乘，获得第一交流信号；所述q轴电流值中高次谐波电流分量与调制信号相乘，所述高次谐波电流与所述调制信号的频率不同，获得第二交流信号；所述q轴电流值中高频电流分量与调制信号相乘，获得q轴高频电流调制信号。
进一步的，利用低通滤波器对所述乘积信号进行过滤，获得滤波信号，包括：通过低通滤波器从所述乘积信号中滤除所述第一交流信号和所述第二交流信号，得到滤波信号。
进一步的，所述滤波信号等同为线性信号。
另一方面，本申请实施例提供了一种无人机电机转子初始位置检测装置，包括：
高频电压注入单元：配置用于在待测电机的同步旋转坐标系中的d轴注入脉振高频电压信号；
电流计算单元：配置用于计算q轴电流值；
调制信号单元：配置用于所述q轴电流与调制信号相乘计算乘积信号；
信号过滤单元：配置用于利用低通滤波器对所述乘积信号进行过滤，获得滤波信号；
转速估算单元：配置用于所述滤波信号通过PI调节器求得无人机电机转子估算转速值；
初始位置估算单元：配置用于所述转子估算转速值经过积分器求得无人机电机转子初始估算位置。
进一步的，所述检测装置还包括：
循环执行单元：配置用于以所述初始估算位置作为无人机电机转子初始位置，循环执行所述检测方法，获得无人机电机转子准确初始位置。
进一步的，电流计算单元，包括：
电流检测子单元：配置用于所述脉振高频电压信号通过电流传感器检测获得三相电流；
电流变换子单元：配置用于所述三相电流通过Clarke/Park变换，计算两相旋转坐标系的q轴电流值。
另一方面，本申请实施例提供了一种无人机电机转子初始位置检测设备，所述设备包括：
一个或多个处理器；
数据存储器，用于存储调制信号以及一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如上述任一项所述的方法。
另一方面，本申请实施例提供了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述任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所示例的无人机电机转子初始位置检测方法，将轴电流直接与调制信号sin(ωht)相乘，然后通过低通滤波器得到近似为线性信号的滤波信号，之后再将该滤波信号通过PI调节器，从而获得无人机电机转子初始位置和无人机电机转子转速估算值本发明示例的无人机电机转子初始位置检测方法不需要采用带通滤波器即可实现对无人机电机转子初始位置的检测，同时避免了高频电流幅值衰减和相位滞后的问题，解决了传统方法带来的幅值衰减和相位滞后问题。
2、本发明所示例的无人机电机转子初始位置检测装置结构简单，应用方便，不需要采用带通滤波器和位置传感器，就可以实现电机转子初始位置的检测。从而解决了传统脉振高频注入法带来的高频电流信号幅值衰减和相位滞后、无人机不适合安装传感器等技术问题，检测时间短、准确率高，确保了无人机驱动系统性能的稳定。
3、本发明所示例的无人机电机转子初始位置检测装置对无人机电机进行预定位时转子不会转动，从而解决了现有技术中预定位时转子转动的技术问题，确保在任何情况下都可以准确、快速的检测转子初始位置。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明实施例一提出的无人机电机转子初始位置检测方法的过程示意图。
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。
如图1所述，本实施例示例的一种无人机电机转子初始位置检测方法，包括：在待测电机的同步旋转坐标系中注入脉振高频电压信号计算q轴电流值；所述q轴电流与调制信号相乘，获得乘积信号；所述乘积信号通过低通滤波器进行滤除，获得滤波信号；所述滤波信号通过PI调节器，获得线性信号；获得无人机电机转子初始位置与转子转速的估算值。
为便于对本发明的理解，下面以本发明的检测原理，结合实施例中的检测过程，对本发明提供的无人机电机转子初始位置检测方法做进一步的描述：
现有技术中，向待测电机的同步旋转坐标系中的直轴d轴注入脉振高频电压信号：
式中，表示两相旋转坐标系下直轴高频电压；
表示两相旋转坐标系下交轴高频电压。
脉振高频电压信号通过电流传感器检测获得三相电流，三相电流通过Clarke/Park变换，获得两相旋转坐标系的q轴电流值和d轴电流值。q轴电流值和d轴电流值中不仅包含了交直轴电流值直流分量，还包括了交直轴电流值高频电流分量，以及由于开关等引起的交直轴电流值高次谐波电流分量。
dq交直轴高频电流分量可由电机绕组高频电路模型计算得到，如下式所示：
式中，
取q轴电流响应进行分析：
式中，Iq为q轴直流分量；
为q轴高频电流分量；
iqc为q轴高次谐波电流分量。
其中只有q轴高频电流分量包含转子位置信息：
q轴高频电流分量幅值中含有转子位置估计误差Δθ。可见，只要通过适当的控制方式，调节q轴高频电流分量使q轴高频电流分量等于零，就可以使得无人机电机转子位置估计值与实际值θ相等，从而获得无人机电子转子的初始位置。
在现有技术中下，通过检测包含位置估计误差的交轴高频电流估计值，经过适当信号处理，提取其中有用信息，作为调节器的输入。一般情况下，需要先提取出q轴高频电流分量信号；通常为了能够得到该信号，需要将q轴电流经过带通滤波器(BPF)选通其中的高频分量而带通滤波器的使用必然会造成信号发生幅值变化和相位的移动。幅值变化会造成高频信号衰减，但是不会对电机转子初始位置估计系统稳定性造成影响；而相位移动则有可能造成电机转子初始位置估计系统出现不稳定现象。
为了解决这个问题，本实施例示例的无人机电机转子初始位置检测方法提出了一种新的信号处理方式。为了解决现有技术中采用带通滤波器引入的相位移动问题，本实施例示例检测方法采取直接将q轴电流与调制信号sin(ωht)相乘进行低通滤波以获取无人机电机转子的初始位置。
q轴电流信号中直流分量Iq与sin(ωht)相乘后得到的第一交流信号可被低通滤波器(LPF)滤除；高次谐波电流分量iqc与sin(ωht)相乘后，由于二者的频率不同，相乘后得到的仍然是交流量即第二交流信号，也可以被低通滤波器滤除。由此可以得到如下推导过程：
从上面推导结果可以看出，经过低通滤波后的信号近似为线性信号。该线性信号显然可以经过一个PI调节器就可以获得转子位置与转速的估计值线性信号经过PI调节器可以得到转子估算转速值，然后该转子估算转速值再经过积分可以得到转子位置。PI调节器由比例和积分环节构成，其传递函数为：
式中，Kp为比例系数，Ki为积分系数。
本实施例的一种无人机电机转子初始位置检测装置包括：
高频电压注入单元：配置用于在待测电机的同步旋转坐标系中的d轴注入脉振高频电压信号；
电流计算单元：配置用于计算q轴电流值；
调制信号单元：配置用于所述q轴电流与调制信号相乘计算乘积信号；
信号过滤单元：配置用于利用低通滤波器对所述乘积信号进行过滤，获得滤波信号；
转速估算单元：配置用于所述滤波信号通过PI调节器求得无人机电机转子估算转速值；
初始位置估算单元：配置用于所述转子估算转速值经过积分器求得无人机电机转子初始估算位置。
其中，检测装置还包括：
循环执行单元：配置用于以所述初始估算位置作为无人机电机转子初始位置，循环执行所述检测方法，获得无人机电机转子准确初始位置。
其中，电流计算单元包括：
电流检测子单元：配置用于所述脉振高频电压信号通过电流传感器检测获得三相电流；
电流变换子单元：配置用于所述三相电流通过Clarke/Park变换，计算两相旋转坐标系的q轴电流值。
本实施例的一种无人机电机转子初始位置检测设备包括：
一个或多个处理器；
数据存储器，用于存储调制信号以及一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如上述任一项所述的方法。
本实施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述任一项所述的方法。
除去实施例一所述的外，本发明示例的无人机电机转子初始位置检测方法、装置。设备及存储介质除了可以用于测量永磁无刷直流电机(BLDCM)的转子初始位置外还可以用于测量永磁无刷交流电机(PMSM)的转子初始位置。
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 (10)
1.一种无人机电机转子初始位置检测方法，其特征在于，包括：
在待测电机的同步旋转坐标系中的d轴注入脉振高频电压信号；
计算q轴电流值；
所述q轴电流与调制信号相乘计算乘积信号；
利用低通滤波器对所述乘积信号进行过滤，获得滤波信号；
所述滤波信号通过PI调节器求得无人机电机转子估算转速值；
所述转子估算转速值经过积分器求得无人机电机转子初始估算位置。
2.根据权利要求1所述的一种无人机电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述求得无人机电机转子初始估算位置之后还包括：
以所述初始估算位置作为无人机电机转子初始位置，循环执行所述检测方法，获得无人机电机转子准确初始位置。
3.根据权利要求1所述的一种无人机电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述计算q轴电流值，包括：
所述脉振高频电压信号通过电流传感器检测获得三相电流；
所述三相电流通过Clarke/Park变换，计算两相旋转坐标系的q轴电流值。
4.根据权利要求1所述的一种无人机电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述q轴电流与调制信号相乘获得乘积信号，包括：
所述q轴电流值中直流分量与调制信号相乘，获得第一交流信号；
所述q轴电流值中高次谐波电流分量与调制信号相乘，所述高次谐波电流与所述调制信号的频率不同，获得第二交流信号；
所述q轴电流值中高频电流分量与调制信号相乘，获得q轴高频电流调制信号。
5.根据权利要求4所述的一种无人机电机转子初始位置检测方法，其特征在于，利用低通滤波器对所述乘积信号进行过滤，获得滤波信号，包括：
通过低通滤波器从所述乘积信号中滤除所述第一交流信号和所述第二交流信号，得到滤波信号。
6.一种无人机电机转子初始位置检测装置，其特征在于，包括：
高频电压注入单元：配置用于在待测电机的同步旋转坐标系中的d轴注入脉振高频电压信号；
电流计算单元：配置用于计算q轴电流值；
调制信号单元：配置用于所述q轴电流与调制信号相乘计算乘积信号；
信号过滤单元：配置用于利用低通滤波器对所述乘积信号进行过滤，获得滤波信号；
转速估算单元：配置用于所述滤波信号通过PI调节器求得无人机电机转子估算转速值；
初始位置估算单元：配置用于所述转子估算转速值经过积分器求得无人机电机转子初始估算位置。
7.根据权利要求6所述的无人机电机转子初始位置检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：
循环执行单元：配置用于以所述初始估算位置作为无人机电机转子初始位置，循环执行所述检测方法，获得无人机电机转子准确初始位置。
8.根据权利要求6所述的无人机电机转子初始位置检测装置，其特征在于，所述电流计算单元包括：
电流检测子单元：配置用于所述脉振高频电压信号通过电流传感器检测获得三相电流；
电流变换子单元：配置用于所述三相电流通过Clarke/Park变换，计算两相旋转坐标系的q轴电流值。
9.一种无人机电机转子初始位置检测设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；
数据存储器，用于存储调制信号以及一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征是，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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