CN109229361A - 电机控制系统及无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无人机技术领域，提供一种电机控制系统及无人机，所述电机控制系统包括：控制单元、与所述控制单元电连接的第一逆变器、与所述控制单元电连接的第二逆变器、与所述第一逆变器电连接的第一电机以及与所述第二逆变器电连接的第二电机。通过以上所述方式，电机控制系统中的两个逆变器与一个控制单元电连接，从而使得一个控制单元可以控制两个电机的运行，进而缩小了具有该电机控制系统的硬件电路板的体积，并减轻了重量。

Description

电机控制系统及无人机
【技术领域】
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种电机控制系统及具有此电机控制系统的无人机。
【背景技术】
无人驾驶飞机，简称无人机(UAV)，是一种处在迅速发展中的新概念装备，其具有机动灵活、反应快速、无人驾驶、操作要求低的优点。无人机通过搭载多类传感器或摄像设备，可以实现影像实时传输、高危地区探测功能，是卫星遥感与传统航空遥感的有力补充。目前。无人机的使用范围已经扩宽到军事、科研、民用三大领域，具体在电力通信、气象、农业、海洋、勘探、摄影、防灾减灾、农作物估产、缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐等领域应用甚广。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：目前的四旋翼无人机普遍存在硬件电路板体积过大，重量较重的问题；不仅不利于无人机的小型化设计，制约着无人机结构设计的灵活度；而且会影响并限制到无人机的续航能力。
【发明内容】
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种体积小、结构紧凑并且重量轻的电机控制系统、具有此电机控制系统的无人机。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：
一种电机控制系统，包括：控制单元、与所述控制单元电连接的第一逆变器、与所述控制单元电连接的第二逆变器、与所述第一逆变器电连接的第一电机以及与所述第二逆变器电连接的第二电机；所述第一逆变器与所述第二逆变器并联；
其中，所述控制单元用于输出控制信号至所述第一逆变器和第二逆变器，通过所述第一逆变器和所述第二逆变器输出的交变信号分别控制与其电连接的所述第一电机和第二电机的运行状态。
在一些实施例中，所述第一逆变器包括至少一个与所述第一电机电连接的第一功率单元，所述控制单元与至少一个所述第一功率单元电连接，所述控制单元输出所述控制信号给至少一个所述第一功率单元，通过所述第一功率单元输出的交变信号控制所述第一电机的运行状态；
所述第二逆变器包括至少一个与所述第二电机电连接的第二功率单元，所述控制单元与至少一个所述第二功率单元电连接，所述控制单元输出的所述控制信号给至少一个所述第二功率单元，通过所述第二功率单元输出的交变信号控制所述第二电机的运行状态。
在一些实施例中，所述第一功率单元包括彼此并联的第一功率子单元、第二功率子单元以及第三功率子单元，所述第二功率单元包括三个彼此并联的第四功率子单元、第五功率子单元以及第六功率子单元。
在一些实施例中，所述第一功率单元和所述第二功率单元均包括用于接收所述控制信号的驱动电路、与所述驱动电路电连接的第一功率元件和与所述驱动电路电连接的第二功率元件；所述第一功率元件与所述第二功率元件串联。
在一些实施例中，所述第一功率元件和第二功率元件均为MOS管。
在一些实施例中，所述电机控制系统还包括用于采集所述第一电机的三相电压的第一采样电路以及用于采集所述第二电机的三相电压的第二采样电路；所述第一采样电路电连接于所述第一逆变器和所述第一电机之间，所述第二采样电路电连接于所述第二逆变器和所述第二电机之间。
在一些实施例中，所述第一采样电路包括第一采样电阻和与所述第一采样电阻并联的第一运放电路；所述第二采样电路包括第二采样电阻和与所述第二采样电阻并联的第二运放电路。
为解决上述技术问题，本发明实施例还提供以下技术方案：
一种无人机，包括：机身、与所述机身连接的机臂以及以上所述的电机控制系统，所述第一电机和第二电机设置于所述机臂，所述第一电机和所述第二电机呈对角设置。
与现有技术相比较，本发明实施例的电机控制系统包括第一逆变器、第二逆变器和控制单元，所述控制单元分别与所述第一逆变器、第二逆变器电连接，第一逆变器与第一电机电连接，第二逆变器与第二电机电连接；电机控制系统中的两个逆变器与一个控制单元电连接，从而使得一个控制单元可以控制两个电机的运行，进而缩小了具有该电机控制系统的硬件电路板的体积，并减轻了重量。
【附图说明】
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为简化示出的本发明实施例提供的一种电机控制系统的功能模块示意图；
图2为图1所示的电机控制系统的结构示意图；
图3为图2所示的电机控制系统中控制单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种电机控制系统应用于无人机的功能模块示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电机控制系统应用于无人机的结构示意图。
【具体实施方式】
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“电连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种电机控制系统100，包括控制单元23、与控制单元23电连接的第一逆变器21、与第一逆变器21电连接的第一电机11、第二逆变器22和与第二逆变器22电连接的第二电机12。第一逆变器21与第二逆变器22并联。控制单元23用于输出控制信号至第一逆变器21和第二逆变器22，通过第一逆变器21和第二逆变器22输出的交变信号分别控制与其电连接的所述第一电机11和第二电机12的运行状态。本实施例中，控制单元23、第一逆变器21和第二逆变器22均集成在同一块电路板20上。电机控制系统100中的两个逆变器(即，第一逆变器21和第二逆变器22)与一个控制单元23电连接，从而使得一个控制单元23可以控制两个电机(即，第一电机11、第二电机12)的运行，进而缩小了具有该电机控制系统的硬件电路板的体积，并减轻了重量。
在本实施例中，控制单元23为一MCU。
所述第一逆变器21包括至少一个与所述第一电机11电连接的第一功率单元(211，212，213)，所述控制单元23与至少一个所述第一功率单元211，212，213电连接，所述控制单元23输出所述控制信号给至少一个所述第一功率单元(211，212，213)，通过所述第一功率单元(211，212，213)输出的交变信号控制所述第一电机11的运行状态。在本实施例中，第一功率单元(211，212，213)包括并联的第一功率子单元211、第二功率子单元212和第三功率子单元213。所述第一功率子单元211、第二功率子单元212和第三功率子单元213均与所述第一电机11电连接。所述第一功率子单元211、第二功率子单元212和第三功率子单元213接收来自控制单元23的控制信号，从而控制所述第一电机11的运行状态。
所述第二逆变器22包括至少一个与所述第二电机12电连接的第二功率单元(221，222，223)，所述控制单元23与至少一个所述第二功率单元(221，222，223)电连接，所述控制单元23输出的所述控制信号给至少一个所述第二功率单元(221，222，223)，通过所述第二功率单元(221，222，223)输出的交变信号控制所述第二电机12的运行状态。在本实施例中，所述第二功率单元(221，222，223)包括并联的第四功率子单元221、第五功率子单元222和第六功率子单元223。所述第四功率子单元221、第五功率子单元222和第六功率子单元223均与所述第二电机12电连接。所述第四功率子单元221、第五功率子单元222和第六功率子单元223接收来自控制单元23的控制信号，从而控制所述第二电机12的运行状态。
在本实施例中，所述第一功率子单元211、第二功率子单元212、第三功率子单元213、第四功率子单元221、第五功率子单元222和第六功率子单元223均包括驱动电路D1、第一功率元件Q1和第二功率元件Q2。所述驱动电路D1分别与所述第一功率元件Q1和第二功率元件Q2电连接。这样设计的好处是：驱动电路开关速度很快，驱动能力强，并且两个功率元件的关断速度快。
通常，功率单元的个数是由电机的相数决定的，在本实施例中，所采用的第一电机11和第二电机12均为三相电机，因此所述第一逆变器21和第二逆变器22均包括三个功率单元。三相电机具有结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜等诸多优点。在其它实施例中，第一电机和第二电机还可以为单相电机，从而，所述第一逆变器和第二逆变器只包括一个功率单元。单相电机具有布线简单、使用寿命长、启动快等诸多优点。
可以理解的是，第一逆变器21和第二逆变器22以及第一电机11和第二电机22在结构和功能上可以完全相同，仅为了更清楚的说明两个逆变器和两个电机的连接关系，而分别命名成了“第一”和“第二”。
可以理解在本发明的一实施例中，所述第一功率元件Q1和第二功率元件Q2均为MOS管。在其他实施例中，第一功率元件Q1和第二功率元件Q2还可以为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、或者晶闸管。
驱动电路D1设置有信号接收端，用于接收由控制单元23发出的控制信号，进而导通或者断开第一功率元件Q1或第二功率元件Q2，第一功率元件Q1和第二功率元件Q2不会同时导通或断开，从而形成用于控制电机的交变信号。
该电机控制系统100还包括用于采集第一电机11的三相电压V1的第一采样电路24和用于采集第二电机12的三相电压V2的第二采样电路26。作为一种优选的实施例，第一采样电路24包括第一采样电阻R1和与第一采样电阻并联的第一运放电路，第二采样电路26包括第二采样电阻R2和与第二采样电阻并联的第二运放电路。第一采样电阻R1分别与第一功率子单元211、第二功率子单元212和第三功率子单元213中第二功率元件Q2电连接。第二采样电阻R2分别与第四功率子单元221、第五功率子单元222和第六功率子单元223中的第二功率元件Q2电连接。第一采样电路24和第二采样电路26可将采集的第一电机11的三相电压V1和第二电机12的三相电压V2反馈至控制单元23，控制单元23可以根据接收到三相电压V1和三相电压V2，获取第一电机11和第二电机12的运行状态。控制单元23还可根据接收到三相电压V1和三相电压V2，调整第一电机11和第二电机12的运行状态，使得控制单元23更精确的控制一电机11和第二电机12的运行状态。在本发明的一实施例中，控制信号由第一采样电路24采集到的三相电压V1、第二采样电路26采集到的三相电压V2以及该电机控制系统的直流侧电压Vdc输入控制单元23进行矢量运算得到。在本实施例中，控制单元23输出的控制信号包括用于控制第一电机11的第一脉宽调制(Pulse-Width Modulation，PWM)信号(PMW1_0、PWM1_1、PWM1_2、PMW1_3、PMW1_4、以及PMW1_5)、以及用于控制第二电机12的第二脉宽调制信号(PMW2_0、PWM2_1、
PWM2_2、PMW2_3、PMW2_4、以及PMW2_5)。
每一个功率单元均由两路PMW波控制，在其他可能的实施例中，功率单元也可以由一路PMW信号控制。具体的，第一脉宽调制信号PWM1_0和PWM1_1输入第一功率子单元211的驱动电路D1，控制所述第一功率子单元211中的第一功率元件Q1和第二功率元件Q2的导通或断开。第一脉宽调制信号PWM1_2和PWM1_3输入第二功率子单元212中的驱动电路D1，控制第二功率子单元212中的第一功率元件Q1和第二功率元件Q2的导通或断开。第一脉宽调制信号PWM1_4和PWM1_5输入第三功率子单元213中的驱动电路D1，控制第三功率子单元213中的第一功率元件Q1和第二功率元件Q2的导通或断开。
第二脉宽调制信号PWM2_0和PWM2_1输入第四功率子单元221中的驱动电路D1，控制第四功率子单元221中的第一功率元件Q1和第二功率元件Q2的导通或断开。第二脉宽调制信号PWM2_2和PWM2_3输入第五功率子单元222中的驱动电路D1，控制第五功率子单元222中的第一功率元件Q1和第二功率元件Q2的导通或断开。第二脉宽调制信号PWM2_4和PWM2_5输入第六功率子单元223中的驱动电路D1，控制第六功率子单元223中的第一功率元件Q1和第二功率元件Q2的导通或断开。
本发明的电机控制系统100可应用于无人机200、遥控战车、无人船等移动装置上。作为本发明的一种实施例，电机控制系统100应用于无人机200。该无人机200可以为三旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼无人机。
如图4和5所示，本发明中的无人机200为四旋翼无人机，该无人机包括机身210、与机身210相连的四个机臂220以及设于机身210上的电调50。第一电机11和第二电机12设置于机臂220，并且第一电机11与第二电机12相对于无人机200的机身210对角设置(即第一电机11与第二电机12分别设置在呈对角设置的两个机臂210上)，所述控制单元23、与控制单元23电连接的第一逆变器21和与控制单元23电连接的第二逆变器22集成于一个电调50内。可以理解的是，另外两个呈对角设置的电调也可以采用集成了本发明实施例所述的电调50来控制。这样设计的优点是：在无人机200在飞行时，有一个电调50发生了损坏，另一个电调50能够控制位于对角的电机继续运行，使得无人机200能够平稳着陆。若一个电调50控制位于同一侧的两个电机，则两个电调50中的任一个损坏，则无人机200则可能发生侧翻，并坠毁。通过同一电调50来控制位于对角的电机有利于缩小无人机中电调电路板的体积，满足了无人机的小型化设计需求，提高了无人机的续航能力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种电机控制系统(100)，其特征在于，所述电机控制系统(100)包括：控制单元(23)、与所述控制单元(23)电连接的第一逆变器(21)、与所述控制单元(23)电连接的第二逆变器(22)、与所述第一逆变器(21)电连接的第一电机(11)以及与所述第二逆变器(22)电连接的第二电机(12)；所述第一逆变器(21)与所述第二逆变器(22)并联；
其中，所述控制单元(23)用于输出控制信号至所述第一逆变器(21)和第二逆变器(22)，通过所述第一逆变器(21)和所述第二逆变器(22)输出的交变信号分别控制与其电连接的所述第一电机(11)和第二电机(12)的运行状态。
2.根据权利要求1所述的电机控制系统(100)，其特征在于，
所述第一逆变器(21)包括至少一个与所述第一电机(11)电连接的第一功率单元(211，212，213)，所述控制单元(23)与至少一个所述第一功率单元(211，212，213)电连接，所述控制单元(23)输出所述控制信号给至少一个所述第一功率单元(211，212，213)，通过所述第一功率单元(211，212，213)输出的交变信号控制所述第一电机(11)的运行状态；
所述第二逆变器(22)包括至少一个与所述第二电机(12)电连接的第二功率单元(221，222，223)，所述控制单元(23)与至少一个所述第二功率单元(221，222，223)电连接，所述控制单元(23)输出的所述控制信号给至少一个所述第二功率单元(221，222，223)，通过所述第二功率单元(221，222，223)输出的交变信号控制所述第二电机(12)的运行状态。
3.根据权利要求2所述的电机控制系统(100)，其特征在于，所述第一功率单元(211，212，213)包括彼此并联的第一功率子单元(211)、第二功率子单元(212)以及第三功率子单元(213)，所述第二功率单元(221，222，223)包括三个彼此并联的第四功率子单元(221)、第五功率子单元(222)以及第六功率子单元(223)。
4.根据权利要求2或3所述的电机控制系统(100)，其特征在于，所述第一功率单元(211，212，213)和所述第二功率单元(221，222，223)均包括用于接收所述控制信号的驱动电路(D1)、与所述驱动电路(D1)电连接的第一功率元件(Q1)和与所述驱动电路(D1)电连接的第二功率元件(Q2)；所述第一功率元件(Q1)与所述第二功率元件(Q2)串联。
5.根据权利要求4所述的电机控制系统(100)，其特征在于，所述第一功率元件(Q1)和第二功率元件(Q2)均为MOS管。
6.根据权利要求1至5任一项所述的电机控制系统(100)，其特征在于，所述电机控制系统(20)还包括用于采集所述第一电机(11)的三相电压(V1)的第一采样电路(24)以及用于采集所述第二电机(12)的三相电压(V2)的第二采样电路(26)；
所述第一采样电路(24)电连接于所述第一逆变器(21)和所述第一电机(11)之间，所述第二采样电路(26)电连接于所述第二逆变器(22)和所述第二电机(12)之间。
7.根据权利要求6所述的电机控制系统(100)，其特征在于，所述第一采样电路(24)包括第一采样电阻(R1)和与所述第一采样电阻(R1)并联的第一运放电路；
所述第二采样电路(26)包括第二采样电阻(R2)和与所述第二采样电阻(R2)并联的第二运放电路。
8.一种无人机(200)，其特征在于，所述无人机(200)包括机身(210)及与所述机身(210)连接的机臂(220)，其特征在于，所述无人机(200)还包括如权利要求1-7中任一项所述的电机控制系统(100)，所述第一电机(11)和第二电机(12)设置于所述机臂(220)，所述第一电机(11)和所述第二电机(12)呈对角设置。
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