CN111987942A - 无人机电机拖动方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种无人机电机拖动方法及系统，包括以下步骤：向电机定子绕组输入第一电流矢量，第一电流矢量的第一直轴电流值为0，第一电流矢量的第一交轴电流值为第一预定值；根据电机转子的加速度，获得转子位置角，其中，加速度从0匀速增大至第二预定值；采集电机的三相电流，根据三相电流和转子位置角，获得第二直轴电流值和第二交轴电流值；将第二直轴电流值与给定直轴电流值比较并调节，获得直轴电压值，将第二交轴电流值与给定交轴电流值比较并调节，获得交轴电压值；根据直轴电压值、交轴电压值和转子位置角，获得三相输入电压信号；根据三相输入电压信号驱动电机转动，能够有效地缩短拖动时间。

Description

无人机电机拖动方法及系统
技术领域
本发明一般涉及无人机领域，具体涉及无人机电机领域，尤其涉及一种无人机电机拖动方法及系统。
背景技术
无人机电机由于其结构的特殊性，无法采用传感器来反馈电机转子位置角，只能采用无传感器控制技术来反馈电机转子位置角；同时由于电机的凸极性也比较弱,因此只能采用基于反电动势的转子位置观测技术来检测电机转子的位置；另一方面，由于电机在零转速或转速很低时，其反电动势很小，因此只能先采用开环拖动技术将无人机电机拖动到一定转速后，再采用转速闭环控制系统控制电机，进行基于反电动势的转子位置观测。
在开环拖动技术中，V/F拖动技术和I/F拖动技术使用比较多。其中V/F拖动带载能力很差，动态性能差，且调试困难，拖动易失步，而无人机电机负载为螺旋桨，负载随着转速的变化而变化，因此V/F拖动不适宜用于无人机电机拖动。因此无人机电机可以采用I/F拖动，其中启动加速度的设置非常关键，加速度太小，电机开环拖动的时间会比较长，加速度太大，容易启动失败。
现有I/F拖动技术中，加速度值为固定值，该方法存在拖动时间较长的问题。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种减少拖动时间的无人机电机拖动方法及系统。
第一方面，本发明的无人机电机拖动方法，包括以下步骤：
向电机定子绕组输入第一电流矢量，第一电流矢量的第一直轴电流值为0，第一电流矢量的第一交轴电流值为第一预定值；
根据电机转子的加速度，获得转子位置角，其中，加速度从0匀速增大至第二预定值；
采集电机的三相电流，根据三相电流和转子位置角，获得第二直轴电流值和第二交轴电流值；
将第二直轴电流值与给定直轴电流值比较并调节，获得直轴电压值，将第二交轴电流值与给定交轴电流值比较并调节，获得交轴电压值；
根据直轴电压值、交轴电压值和转子位置角，获得三相输入电压信号；
根据三相输入电压信号驱动电机转动。
第二方面，本发明的无人机电机拖动系统，包括
电机定子和电机转子：向电机定子绕组输入第一电流矢量，第一电流矢量的第一直轴电流值为0，第一电流矢量的第一交轴电流值为第一预定值；
位置角发生器：用于根据电机转子加速度，获得转子位置角，其中，加速度从0匀速增大至第二预定值；
变换单元：用于采集电机的三相电流，根据三相电流和转子位置角，获得第二直轴电流值和第二交轴电流值；
调节器：用于将第二直轴电流值与给定直轴电流值比较并调节，获得直轴电压值，将第二交轴电流值与给定交轴电流值比较并调节，获得交轴电压值；
调制单元：根据直轴电压值、交轴电压值和转子位置角，获得三相输入电压信号；
驱动单元：根据三相输入电压信号驱动电机转动。
根据本申请实施例提供的技术方案，通过将拖动加速度设置为变动的，在电机启动阶段，加速度较小，能够保证电机启动成功，在电机启动之后，加速度逐渐增大，能够有效地缩短拖动时间，能够解决现有的拖动方法中启动时间较长的问题。
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为本发明的实施例的无人机电机拖动方法的dq坐标系和d*q*坐标系在初始位置的示意图；
图2为本发明的实施例的无人机电机拖动方法的dq坐标系和d*q*坐标系在电机拖动过程中的示意图；
图3为本发明的实施例的无人机电机拖动系统的结构示意图；
图4为本发明的实施例的无人机电机拖动方法的流程示意图；
图5为本发明的实施例的无人机电机拖动方法的电机启动过程的转速与时间的关系示意图；
图6为现有的无人机电机拖动方法的电机启动过程的转速与时间的关系示意图。
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。
本发明的其中一个实施例为，请参考图3和4，本发明的无人机电机拖动方法，包括以下步骤：
向电机定子绕组输入第一电流矢量，第一电流矢量的第一交轴电流值为0，第一电流矢量的第一直轴电流值为第一预定值；
根据电机转子的加速度，获得转子位置角，其中，加速度从0匀速增大至第二预定值；
采集电机的三相电流，根据三相电流和转子位置角，获得第二直轴电流值和第二交轴电流值；
将第二直轴电流值与给定直轴电流值比较并调节，获得直轴电压值，将第二交轴电流值与给定交轴电流值比较并调节，获得交轴电压值；
根据直轴电压值、交轴电压值和转子位置角，获得三相输入电压信号；
根据三相输入电压信号驱动电机转动。
在本发明的实施例中，在电调系统开环拖动阶段，对电调系统进行电流闭环。通过无人机电机转子定位方法获得无人机电机转子初始位置后，定义位置角发生器给定的旋转坐标系为d*q*坐标系，定义电机定子绕组同步旋转坐标系为dq坐标系，初始阶段，d*q*坐标系与dq坐标系的相位差为270°。
向电机定子绕组输入第一电流矢量，第一电流矢量的第一交轴(q轴)电流值为0，第一电流矢量的第一直轴(d轴)电流值为第一预定值，第一预定值可以是从0开始匀速增加到固定值const的电流，q轴电流标记为Iq_ref，d轴电流标记为Id_ref，与此同时，向d*q*坐标系的q*轴施加从0开始均速增加到固定值const的电流，保持d*q*坐标系的d*轴的电流为0，此时，Id_ref＝Id*＝iq＝0，Iq_ref＝iq*＝id＝const。电流矢量iq*从d轴开始逐渐加速旋转，产生的电磁转矩带动电机开始平滑的加速转动，电磁转矩Te＝Kt*Iq_ref*cos(θ)。
在无人机电机拖动过程中，Park变换和反Park变换的转子位置角Theta可由转子位置角控制器给定。具体的，向位置角发生器输入加速度k，对加速度k积分获得开环转速w＝∫kdt，也就获得转子位置角Theta＝∫wdt+270°。
参考图3，“PMSM”为电机，“Clark变换”和“park变换”构成变换单元，“PI”为调节器，“SVPWM”为调制单元，驱动单元为电机的驱动电路，具体的，向电机定子绕组输入第一电流矢量，采集电机的三相交流电Ia、Ib和Ic，三相交流电Ia、Ib和Ic经过Clark变换变为两相静止坐标系下的电流Ialpha和Ibeta，将Ialpha、Ibeta根据转子位置角Theta经过Park变换得到d-q坐标系下的第二直轴电流(Id_fdk)和第二交轴电流(Iq_fdk)。通过比较器将Id_fdk和给定直轴电流(Id_ref)进行比较获得两者之间的误差值并输入调节器获得Ud，通过比较器将Iq_fdk和给定交轴电流(Iq_ref)进行比较获得两者之间的误差值并输入调节器获得Uq，其中给定直轴电流值以及给定交轴电流值可以通过电机的理想参数获得，给定直轴电流值以及给定交轴电流值合成的电流矢量的大小可以在额定负载电流的6％-14％之间，可以但不仅仅为额定负载电流的10％，具体的电流值可以在实际操作中调试以适应无人机负载的要求，同时，给定直轴电流值以及给定交轴电流值合成的电流矢量的位置与转子初始位置重合。将Ud、Uq根据转子位置角Theta经过Park反变换转换成α-β坐标系下的参考电压矢量Ualpha和Ubeta，Ualpha和Ubeta经过SVPWM调制后获取电机三相输入电压信号，通过逆变电路输入三相电压信号驱动电机转动，实现开环拖动。将拖动加速度设置为变动的，在电机启动阶段，加速度较小，能够保证电机启动成功，在电机启动之后，加速度逐渐增大，能够有效地缩短拖动时间。
进一步的，第二预定值为800-1200rad/s2。
进一步的，加速度从0匀速增大至第二预定值的时间为1-2s。
参考图1和2，进一步的，根据加速度，获得转子位置角，包括，
对加速度积分，获得开环转速，
根据初始状态下转子位置角给定的旋转坐标系与电机定子绕组同步旋转坐标系的相位差以及对开环转速积分，获得转子位置角。
在本发明的实施例中，向位置角发生器输入加速度k，对加速度k积分获得开环转速w＝∫kdt，也就获得转子位置角Theta＝∫wdt+270°。
进一步的，初始状态下转子位置角给定的旋转坐标系与电机定子绕组同步旋转坐标系的相位差为270°。
参考图5和6，本申请的变加速度电机拖动方法和现有的定加速度电机拖动方法对比，本申请的变加速度电机拖动方法，在电机启动过程中，电机转速平稳并且拖动时间短。
本发明的另一个实施例为，参考图3和4，一种无人机电机拖动系统，包括
电机定子和电机转子：向电机定子绕组输入第一电流矢量，第一电流矢量的第一直轴电流值为0，第一电流矢量的第一交轴电流值为第一预定值；
位置角发生器：根据电机转子的加速度，获得转子位置角，其中，加速度从0匀速增大至第二预定值；
变换单元：用于采集电机的三相电流，根据三相电流和转子位置角，获得第二直轴电流值和第二交轴电流值；
调节器：用于将第二直轴电流值与给定直轴电流值比较并调节，获得直轴电压值，将第二交轴电流值与给定交轴电流值比较并调节，获得交轴电压值；
调制单元：根据直轴电压值、交轴电压值和转子位置角，获得三相输入电压信号；
驱动单元：根据三相输入电压信号驱动电机转动。
在本发明的实施例中，在电调系统开环拖动阶段，对电调系统进行电流闭环。通过无人机电机转子定位方法获得无人机电机转子初始位置后，定义位置角发生器给定的旋转坐标系为d*q*坐标系，定义电机定子绕组同步旋转坐标系为dq坐标系，初始阶段，d*q*坐标系与dq坐标系的相位差为270°。
向电机定子绕组输入第一电流矢量，第一电流矢量的第一交轴(q轴)电流值为0，第一电流矢量的第一直轴(d轴)电流值为第一预定值，第一预定值可以是从0开始匀速增加到固定值const的电流，q轴电流标记为Iq_ref，d轴电流标记为Id_ref，与此同时，向d*q*坐标系的q*轴施加从0开始均速增加到固定值const的电流，保持d*q*坐标系的d*轴的电流为0，此时，Id_ref＝Id*＝iq＝0，Iq_ref＝iq*＝id＝const。电流矢量iq*从d轴开始逐渐加速旋转，产生的电磁转矩带动电机开始平滑的加速转动，电磁转矩Te＝Kt*Iq_ref*cos(θ)。固定值const一般取为电机额定负载电流的6％至14％的区间内，具体的电流值可以在实际操作中调试以适应无人机负载的要求。
在无人机电机拖动过程中，Park变换和反Park变换的转子位置角Theta可由转子位置角控制器给定。具体的，向位置角发生器输入加速度k，对加速度k积分获得开环转速w＝∫kdt，也就获得转子位置角Theta＝∫wdt+270°。
参考图3，“PMSM”为电机，“Clark变换”和“park变换”构成变换单元，“PI”为调节器，“SVPWM”为调制单元，驱动单元为电机的驱动电路，具体的，向电机定子绕组输入第一电流矢量，采集电机的三相交流电Ia、Ib和Ic，三相交流Ia、Ib和Ic电经过Clark变换变为两相静止坐标系下的电流Ialpha和Ibeta，将Ialpha、Ibeta根据转子位置角Theta经过Park变换得到d-q坐标系下的第二直轴电流(Id_fdk)和第二交轴电流(Iq_fdk)。通过比较器将Id_fdk和给定直轴电流(Id_ref)进行比较获得两者之间的误差值并输入调节器获得Ud，通过比较器将Iq_fdk和给定交轴电流(Iq_ref)进行比较获得两者之间的误差值并输入调节器获得Uq。其中给定直轴电流值以及给定交轴电流值可以通过电机的理想参数获得，给定直轴电流值以及给定交轴电流值合成的电流矢量的大小可以在额定负载电流的6％-14％之间，可以但不仅仅为额定负载电流的10％，具体的电流值可以在实际操作中调试以适应无人机负载的要求，同时，给定直轴电流值以及给定交轴电流值合成的电流矢量的位置与转子初始位置重合。将Ud、Uq根据转子位置角Theta经过Park反变换转换成α-β坐标系下的参考电压矢量Ualpha和Ubeta，Ualpha和Ubeta经过SVPWM调制后获取电机三相输入电压信号，通过逆变电路输入三相电压信号驱动电机转动，实现开环拖动。将拖动加速度设置为变动的，在电机启动阶段，加速度较小，能够保证电机启动成功，在电机启动之后，加速度逐渐增大，能够有效地缩短拖动时间。
进一步的，第二预定值为800-1200rad/s2。
进一步的，加速度从0匀速增大至第二预定值的时间为1-2s。
参考图1和2，进一步的，根据加速度，获得转子位置角，包括，
对加速度积分，获得开环转速，
根据初始状态下转子位置角给定的旋转坐标系与电机定子绕组同步旋转坐标系的相位差以及对开环转速积分，获得转子位置角。
在本发明的实施例中，向位置角发生器输入加速度k，对加速度k积分获得开环转速w＝∫kdt，也就获得转子位置角Theta＝∫wdt+270°。
进一步的，初始状态下转子位置角给定的旋转坐标系与电机定子绕组同步旋转坐标系的相位差为270°。
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)

1.一种无人机电机拖动方法，其特征在于，包括以下步骤：
向电机定子绕组输入第一电流矢量，所述第一电流矢量的第一交轴电流值为0，所述第一电流矢量的第一直轴电流值为第一预定值；
根据电机转子的加速度，获得转子位置角，其中，所述加速度从0匀速增大至第二预定值；
采集电机的三相电流，根据所述三相电流和所述转子位置角，获得第二直轴电流值和第二交轴电流值；
将第二直轴电流值与给定直轴电流值比较并调节，获得直轴电压值，将第二交轴电流值与给定交轴电流值比较并调节，获得交轴电压值；
根据所述直轴电压值、所述交轴电压值和所述转子位置角，获得三相输入电压信号；
根据所述三相输入电压信号驱动电机转动。
2.根据权利要求1所述的无人机电机拖动方法，其特征在于，所述第二预定值为800-1200rad/s2。
3.根据权利要求1所述的无人机电机拖动方法，其特征在于，所述加速度从0匀速增大至第二预定值的时间为1-2s。
4.根据权利要求1所述的无人机电机拖动方法，其特征在于，根据所述加速度，获得转子位置角，包括，
对所述加速度积分，获得开环转速，
根据初始状态下所述转子位置角给定的旋转坐标系与电机定子绕组同步旋转坐标系的相位差以及对所述开环转速积分，获得所述转子位置角。
5.根据权利要求4所述的无人机电机拖动方法，其特征在于，初始状态下所述转子位置角给定的旋转坐标系与电机定子绕组同步旋转坐标系的相位差为270°。
6.一种无人机电机拖动系统，其特征在于，包括
电机定子和电机转子：向所述电机定子绕组输入第一电流矢量，所述第一电流矢量的第一直轴电流值为0，所述第一电流矢量的第一交轴电流值为第一预定值；
位置角发生器：用于根据所述电机转子的加速度，获得转子位置角，其中，所述加速度从0匀速增大至第二预定值；
变换单元：用于采集电机的三相电流，根据所述三相电流和所述转子位置角，获得第二直轴电流值和第二交轴电流值；
调节器：用于将第二直轴电流值与给定直轴电流值比较并调节，获得直轴电压值，将第二交轴电流值与给定交轴电流值比较并调节，获得交轴电压值；
调制单元：根据所述直轴电压值、所述交轴电压值和所述转子位置角，获得三相输入电压信号；
驱动单元：根据所述三相输入电压信号驱动电机转动。
7.根据权利要求6所述的无人机电机拖动系统，其特征在于，所述第二预定值为800-1200rad/s2。
8.根据权利要求6所述的无人机电机拖动系统，其特征在于，所述加速度从0匀速增大至第二预定值的时间为1-2s。
9.根据权利要求6所述的无人机电机拖动系统，其特征在于，根据所述加速度，获得转子位置角，包括，
对所述加速度积分，获得开环转速，
根据初始状态下所述转子位置角给定的旋转坐标系与电机定子绕组同步旋转坐标系的相位差以及对所述开环转速积分，获得所述转子位置角。
10.根据权利要求9所述的无人机电机拖动系统，其特征在于，初始状态下所述转子位置角给定的旋转坐标系与电机定子绕组同步旋转坐标系的相位差为270°。
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