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无人机电机矢量控制系统设计研究

2019/08/25 阅读:

摘要:为了消除无刷直流电机的脉动转矩、振动和噪声大等缺点,使其满足无人机系统的需求,设计了一种基于滑模观测器的无刷直流电机矢量控制系统。该系统在使用双闭环矢量控制的情况下,加入了基于滑模观测器的无位置传感器,最后和无人机自驾仪进行连接。通过在无人机上的实际应用,该控制系统消除了无刷直流电机的脉动转矩,所设计的无位置传感器估计误差小、启动速度快、抖动小,适用于多种起飞方式。此外,其恒速运行平稳,加减速过渡平滑,可以满足无人机的高机动飞行要求,适合在无人机上使用。

关键词:无刷直流电机;矢量控制;滑模观测器;无人机

引言

无刷直流电机在低速转矩、运行效率、转速精度、调速性能等方面具有无可比拟的优势[1]。此外,无刷直流电机还具有体积小、重量轻、功率大、耐用性强、转矩特性优异等优点[2],因此在需要具备高敏调速转向特性的无人机上有着广泛的应用。无人机上的无刷直流电机大部分采用方波控制算法,在该算法控制下,控制系统只需要判断反向电动势是否过零点,若过零点则对控制电路进行“通”、“断”操作,在使用过程中,这种控制策略存在脉动电流峰值大、产生脉动转矩、振动和噪声大、低速和启动性能差等缺点[3],这些缺点会降低无人机飞行的稳定性、安全性,还可能出现电机原地抖动、发热、无法启动等不正常现象。无人机在设计时往往对电机的重量、体积、效率、功率、精度、快速性、稳定性等方面提出严格要求,高性能的电机控制系统会对无人机的性能有质的提升[4]。文献[5]提出了一种无人机无刷直流舵机的控制方法,更多地考虑了对舵回路的控制,而没有对作为动力的无刷直流电机进行分析。文献[6]提出了一种四旋翼无人机无刷电机的矢量控制方案,在稳定运行时性能良好,但动态性能一般。对无刷直流电机矢量控制系统的研究中,文献[7]通过对d轴电流的二次谐波进行处理得到转子极性位置。该方法不需进行额外操作并降低了电流采样的要求,但实现复杂。文献[8]通过注入高频旋转电流估计转子位置,此外对供电电流进行检测从而判断转子位置的极性进行角度补偿从而确定转子实际位置,但此方法更适用于凸极式无刷直流电机。文献[9]在注入脉振载波信号估计转子位置的基础上,进一步同时解算响应电流,确定转子位置。此方法加快了检测效率,降低了检测信号延迟带来的误差,但加大了实现的难度。为此,本文提出了一种基于滑模观测器的无刷直流电机矢量控制方法,该方法可以提高电机的性能,使电机不仅能在全速范围内平稳运行,以零速度产生额定转矩,还具备良好的高速动态性能,做到快速地加减速。从而让无人机能够平稳、高效地完成各种飞行动作。

1矢量控制策略

无刷直流电机结构上主要由电动机本体、位置传感器(本文用基于滑模观测器的无位置传感器代替)和电子开关模块3部分构成。无刷直流电机定子上绕有互为120°的三相绕组,经由6只MOSFET组成的逆变器供电。安装在转子表面的永磁体建立转子磁动势,而位置传感器通过一定的方法检测转子的位置,得到准确的换相时刻,为电子开关模块线路的切换提供依据。经过计算后,电子开关模块以此来控制三相定子绕组的通电时序。MOSFET采用两两导通的方式控制三相定子绕组形成旋转磁动势,从而驱动转子旋转。当MOSFET按次序换相时,则推动转子向前运转。由于三相坐标系的电压方程具有非线性、强耦合等特点,因此在三相坐标系下进行控制性能研究并不可行。无刷直流电机的矢量控制,即是将普遍采用的三相坐标系(A-B-C)转化为两相静止坐标系(α-β)和两相同步旋转坐标系(d-q)。在无刷直流电机矢量控制过程中将三相坐标系转换到d-q坐标系时,对复杂的非线性、多耦合的变量进行解耦,最终表现为电磁转矩仅与交轴电流iq有关(控制id=0)。变换后可大大简化数学模型,方便对无刷直流电机进行磁链和转矩控制。在这种控制策略下,电机的交轴电流全部用于产生电磁转矩,定子产生的旋转磁场与永磁磁场的夹角为π2,因此通过控制iq就可以实现电磁转矩的独立控制。

2基于滑模观测器的转子转速和位置估计

无人机用无刷直流电机的转子电、磁结构对称,所以其数学模型更加简洁,在此基础上采用基于滑模观测器的转速和位置估计法代替位置传感器,可以在不改变无刷直流电机功率的前提下减小体积并降低成本,很好地契合了无人机的特点,非常适合在无人机上使用。基于滑模观测器的转速和位置估计基本结构如图1所示,在无刷直流电机的α-β两相静止坐标系下,将定子电压和电流输入滑模观测器得到反电动势,由于采用了饱和函数使得估计得到的反电动势含有高频噪声,为了提取正确的转速和位置信息,添加了一个低通滤波器去除高频噪声,从而得到光滑的反电动势估计值。再通过对反电动势估计值取反正切,得到转子位置,通过添加补偿抵消因低通滤波使位置滞后的因素,对位置进行微分运算即可得到转速估计值,再反馈给矢量控制系统。

3基于id=0的矢量控制

基于id=0矢量控制策略的结构框图如图2所示,系统主要包括:转速和电流调节器模块、逆Park变换模块、Park变换模块、Clark变换模块、SVPWM模块、转子转速和位置检测模块(本文采用基于滑模观测器的估计算法)、三相逆变器和电机本体。id=0矢量控制执行过程如下。首先,通过滑模观测器估计电机的转速和位置,将转速ω与给定转速ω*作差比较后输入速度调节器得到q轴电流参考量i*q,角度信息θ则用于Park变换;然后,相电流ia、ib、ic经过Clark变换得到α-β两相静止坐标系电流分量iα、iβ,再利用角度信息θ经Park变换得到d-q两相同步旋转坐标系电流分量id、iq;接着,id、iq与各自的参考量(i*d=0)比较作差后输入电流调节器得到d-q两相同步旋转坐标系电压分量ud、uq,再经过逆Park变换得到α-β两相静止坐标系电压分量uα、uβ;最终,SVPWM模块根据uα、uβ进行空间矢量脉宽调制,生成6路PWM信号输入三相逆变器中,最终实现无刷直流电机按矢量控制运行。

4无人机与无刷直流电机的连接

无人机自驾仪主控MCU选用Atmel公司的SAME70Q21,由于SAME70Q21具有极高的性价比、丰富的接口、大容量存储空间以及多元处理能力,成为无人机的主流选择。为了减轻MCU的负担,无人机自驾仪一般不承担无刷直流电机的控制工作,而是只负责输出目标转速,具体控制工作由分系统完成(本文为TMS320F2812组成的控制电路)。SAME70Q21外部通过I2C扩展了一个16路LED背光调节控制芯片PCA9685,用于输出电机的转速及舵机的位置信息,并在手动模式下接收RC接收机输出的遥控信息。根据控制无人机类型的不同,会有若干路送入无刷直流电机的控制电路。控制电路主控芯片选用的是TI公司的TMS320F2812,它的计算能力强大、运算精度高,适用于电机控制。在以上核心器件的基础上,再加入电源变换模块、驱动及逆变电路、电流采样电路,最终得到的无人机系统电机控制框图如图3所示。SAME70Q21接收外部传感器的信息,通过一定的飞控算法(一般为PID控制)计算出当前的飞行姿态,结合飞行指令进行综合处理,将执行机构下一步要进行的动作通过I2C发送给PCA9685,PCA9685再按照地址分发给不同的执行器。其中有若干路会将转速信息分发给各自的电机控制单元。TMS320F2812接收到到转速信息后,会按照以上分析的控制策略生成6路PWM信号控制6只MOSFET的通断,通过三相逆变器实现相应电流的输出。同时,电流采样模块将实时监测的电流信号通过ADC返回给TMS320F2812,后者对无刷直流电机的实际转速和转子位置进行估计,经过转速及电流反馈形成双闭环调速,实现对转速的动态调整。经验证,在使用本文设计的无刷直流电机矢量控制系统后,电机的振动显著减小甚至消失,启动时速度快、抖动小,恒速时运行平稳、抗干扰能力强,加减速过渡平滑、快速,无刷直流电机经过矢量控制后,其性能稳定、优良,满足了无人机的诸多需求,非常适合在无人机上使用。

5结论

为了提高无人机的性能,针对无刷直流电机采用方波控制算法存在脉动转矩等缺点,本文提出了一种加入滑模观测器的矢量控制策略,在此基础上对整个无人机电机控制系统进行了设计。该设计能够有效减小无刷直流电机的脉动转矩,提高抗干扰能力,实现无人机的平稳飞行。与此同时,采用无位置传感器代替传统的霍尔位置传感器,有效降低了电机体积和重量,大大提高了无人机飞行的可靠性及带载荷能力。另外,本文设计的无人机用无刷直流电机控制系统虽然解决了脉动转矩等缺点,但在启动及快速加减速方面还存在上升空间,也是今后研究的一个重点。

参考文献:

[1]钱平.交直流传动控制系统[M].北京:高等教育出版社,2015.

[2]刘兴艳,上官璇峰,董洋洋,等.基于P-模糊自适应PID控制的无刷直流电动机调速系统[J].工矿自动化,2010,36(07):45-49.

[3]李同豪,王友仁,吴勇,等.无刷直流电机无位置传感器矢量控制系统[J].微电机,2016,49(10):20-24.

[4]何建霖,李则辰.多旋翼无人机直流电机驱动系统优化[J].电子世界,2018(06):166-167.

[5]魏林,陈欣,吕迅竑.无人机无刷直流数字式舵机控制器设计[J].微电机,2008(05):46-48.

[6]蔡刚.基于FOC的四旋翼无人机电机驱动系统设计与实现[D].西安:长安大学,2016.

作者:李强 张永飞 郑伟 单位:天津职业大学机电工程与自动化学院

无人机电机矢量控制系统设计研究

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