一种永磁同步电机制动方法及相关设备与流程

文档序号:11111606阅读:1566来源:国知局
一种永磁同步电机制动方法及相关设备与制造工艺

本发明实施方式涉及无人机领域,特别是涉及一种永磁同步电机制动方法及相关设备。



背景技术:

现有的无人飞行器,一般需要使用多个电机和螺旋桨以完成复杂飞行。一般无人飞行器在停机时,多个电机和螺旋桨会因为惯性慢慢停下来,而由于各个电机、螺旋桨所处的位置不同,其所受空气流动阻力以及其他譬如摩擦阻力的大小有差异,从而无法保证多个螺旋桨在肉眼观察的情况下同时停下来,一般情况下螺旋桨各自先后停下来,降低了无人机使用的体验。

因为无法一致性停机,长期使用后各个电机的磨损差异会增大,存在破坏无人飞行器飞行平衡的风险。

因此,现有技术还有待于改进和发展。



技术实现要素:

本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机制动方法及相关设备,将制动分为两个阶段,电机旋转速度小到设定的范围时再次施加同步停机的制动力,实现无人机多电机的快速一致的停机,避免在较大的螺旋桨惯性冲突下实施制动,同时也保证了停机的一致性。

为解决上述技术问题,本发明实施方式采用的一个技术方案是:

第一方面,提供一种永磁同步电机制动方法,该方法应用于电子调速器上,包括:

接收制动控制信号,该制动控制信号用于指示该电子调速器对永磁同步电机进行制动;

生成第一制动信号,其中,该第一制动信号用于指示该永磁同步电机在预设制动时间内减小转速;

向该永磁同步电机发送该第一制动信号;

当该预设制动时间计时结束时,生成第二制动信号,该第二制动信号用于指示该永磁同步电机停止转动;

向该永磁同步电机发送该第二制动信号。

第二方面,本申请实施例还提供一种永磁同步电机制动方法,该方法应用于永磁同步电机上,包括:

接收第一制动信号;

根据该第一制动信号,生成第一制动力矩,其中,该第一制动力矩用于在预设制动时间内减小该永磁同步电机的转速;

根据该第一制动力矩,调节该永磁同步电机的转速;

接收第二制动信号;

根据该第二制动信号,生成第二制动力矩,其中,该第二制动力矩用于使该永磁同步电机停止转动;

根据该第二制动力矩,控制该永磁同步电机停止转动。

优选的,该第一制动力矩由反接制动或者能耗制动或者再生制动产生。

作为第二制动力矩的一种实施方式,根据该第二制动信号,生成第二制动力矩,包括:根据该第二制动信号,将该永磁同步电机的定子绕组的三相短接,使该永磁同步电机的定子绕组产生制动电流;根据该制动电流,对该永磁同步电机的转子生成第二制动力矩。

作为第二制动力矩的另一种实施方式,根据该第二制动信号,生成第二制动力矩,包括:根据该第二制动信号,在该永磁同步电机的定子绕组的三相上分别生成相同的电流信号,使得该永磁同步电机的定子绕组产生固定的磁场;根据该磁场对该永磁同步电机的转子生成第二制动力矩。

第三方面,本申请实施例还提供一种电子调速器,包括:

接收模块,用于接收制动控制信号,该制动控制信号用于指示该电子调速器对永磁同步电机进行制动;

生成模块,用于生成第一制动信号,其中,该第一制动信号用于指示该永磁同步电机在预设制动时间内减小转速;

发送模块,用于向该永磁同步电机发送该第一制动信号;

该生成模块,还用于当该预设制动时间计时结束时,生成第二制动信号,该第二制动信号用于指示该永磁同步电机停止转动;

该发送模块,还用于向该永磁同步电机发送该第二制动信号。

第四方面,本申请实施例还提供一种永磁同步电机,包括:

接收模块,用于接收第一制动信号;

第一生成模块,用于根据该第一制动信号,生成第一制动力矩,其中,该第一制动力矩用于在预设制动时间内减小该永磁同步电机的转速;

调节模块,用于根据该第一制动力矩,调节该永磁同步电机的转速;

该接收模块,还用于接收第二制动信号;

第二生成模块,用于根据该第二制动信号,生成第二制动力矩,其中,该第二制动力矩用于使该永磁同步电机停止转动;

控制模块,用于根据该第二制动力矩,控制该永磁同步电机停止转动。

优选的,该第一制动力矩由反接制动或者能耗制动或者再生制动产生。

作为第二制动力矩的一种实施方式,该第二生成模块具体用于根据该第二制动信号,将该永磁同步电机的定子绕组的三相短接,使该永磁同步电机的定子绕组产生制动电流,根据该制动电流,对该永磁同步电机的转子生成第二制动力矩。

作为第二制动力矩的另一种实施方式,该第二生成模块具体用于根据该第二制动信号,在该永磁同步电机的定子绕组的三相上分别生成相同的电流信号,使得该永磁同步电机的定子绕组产生固定的磁场,根据该磁场对该永磁同步电机的转子生成第二制动力矩。

第五方面,本申请实施例还提供一种永磁同步电机组件,包括前述的电子调速器以及前述的至少一个的永磁同步电机。

其中,该电子调速器,用于根据该制动控制信号,生成脉冲宽度调制PWM信号,并根据该PWM信号生成第一制动信号。

该PWM信号的占空比与该永磁同步电机根据该第一制动信号生成的第一制动力矩成正比。

第六方面,本申请实施例还提供一种无人机,包括机身,以及前述的永磁同步电机组件。

本发明实施方式的有益效果是:本实施例中提供的多电机同步制动无人机以及制动方法和实现该方法的永磁同步电机组件,将制动分为两个阶段,电机旋转速度小到设定的范围时再次施加同步停机的制动力,实现无人机多电机的快速、一致的停机,保证无人机的多个螺旋桨在人眼观察的情况下同时停下来。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的一种多电机同步制动无人机结构图;

图2是本发明实施方式提供的一种三相永磁同步电机的驱动电路原理图;

图3是本发明实施方式提供的一种永磁同步电机的结构示意图;

图4是本发明实施方式提供的一种永磁同步电机制动方法中电子调速器的处理流程图;

图5是本发明实施方式提供的一种永磁同步电机制动方法中电机的处理流程图;

图6是本发明实施方式提供的对永磁同步电机实现调速的电子调速器模块图;以及

图7是发明实施方式提供的永磁同步电机的模块图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,但并不作为对本发明的限定。

本申请实施例提供的永磁同步电机制动方法、永磁同步电机组件和实现多电机同步制动的无人机,将制动分为降低惯性转矩阶段和同步制动两个阶段,电机旋转速度小到设定的范围时再次施加同步停机的制动力,实现无人机螺旋桨快速一致的停下来,保证了停机的一致性。

请参考图1和图3,本申请实施方式的无人机,能够实现多电机同步制动。该无人机包括无人机机身20、多个螺旋桨32-38以及云台22、飞行控制器(图中未示出)以及永磁同步电机组件。该永磁同步电机组件包括电子调速器(图中未示出)以及分别驱动多个螺旋桨的多个永磁同步电机40,其中,一个永磁同步电机可以对应驱动一个螺旋桨。

本发明实施例中,电子调速器可以用于实现对连接的永磁同步电机的转速调节。每一永磁同步电机40包括定子41和转子43。电子调速器是独立于永磁同步电机40的一个部件,电子调速器与永磁同步电机40连接,用于调节电机的转速,从而实现对电机进行制动。一个电子调速器可以控制一个永磁同步电机40,也可以同时控制几个或所有的永磁同步电机40,本发明实施例不作限定。

本发明实施例中,该飞行控制器可以与电子调速器连接。该无人机与用户手持的遥控器10无线连接和通信,实现飞行控制。

该飞行控制器用于接收遥控器10的制动指令,并根据制动指令向实现转速调节的电子调速器发送制动控制信号。

该制动指令可以是无人机的遥控器10发给无人机的飞行控制器,再由飞行控制器发给电子调速器。

为了实现两个阶段的制动,在第一次制动时电机和螺旋桨的旋转速度小到设定的范围时再施加一制动力矩使无人机的所有电机同步停机,该电子调速器中可以存储有预设制动时间。

电子调速器接收来自该飞行控制器的制动控制信号,该制动控制信号用于指示该电子调速器对永磁同步电机40进行制动。电子调速器根据该制动控制信号,先进入第一制动模式,以生成第一制动信号,其中,该第一制动信号用于指示该永磁同步电机40在预设制动时间内减小转速,并在生成该第一制动信号后向该永磁同步电机40发送该第一制动信号。

当该预设制动时间计时结束时,电子调速器进入第二制动模式,以生成第二制动信号,该第二制动信号用于指示该永磁同步电机40停止转动,并在生成该第二制动信号后向该永磁同步电机40发送该第二制动信号。

当永磁同步电机40接收该第一制动信号时,可以根据该第一制动信号,生成第一制动力矩。其中,该第一制动力矩用于在预设制动时间内减小该永磁同步电机40的转速。进一步地,根据该第一制动力矩,调节该永磁同步电机40的转速。

当永磁同步电机40接收该第二制动信号时,可以根据该第二制动信号,生成第二制动力矩。其中,该第二制动力矩用于使该永磁同步电机40停止转动。进一步地,根据该第二制动力矩,控制该永磁同步电机停止转动。

其中,在第一次制动时,该飞行控制器收到遥控器10的制动指令后,向所有电子调速器发送制动控制信号。电子调速器各自收到飞行控制器发送的该制动控制信号后,生成第一制动信号并向对应控制的永磁同步电机发送该第一制动信号,使得该永磁同步电机产生第一制动力矩,当电子调速器预设的制动时间计时结束时,电机和螺旋桨旋转速度已经小到设定的范围。该施加在永磁同步电机40转子上的第一制动力矩作用时间为设定的制动时间,以使无人机的螺旋桨旋转速度快速降低下来。接着,电子调速器生成第二制动信号并向该永磁同步电机发送该第二制动信号,永磁同步电机40收到该第二制动信号后,产生第二制动力矩,该第二制动力矩产生永磁同步电机40的停机制动力。

本发明实施例中,电子调速器在生成第一制动信号之前,还可以根据该制动控制信号,生成脉冲宽度调制PWM信号,从而根据PWM信号生成第一制动信号。

其中,PWM信号的占空比与永磁同步电机根据该第一制动信号生成的第一制动力矩成正比。即,PWM信号的占空比越大,第一制动力矩也越大,则电机的转速减小的越快。

可以理解的是,本发明实施例中的无人机可以是单旋翼无人机、四旋翼无人机、六旋翼无人机等等,这里仅是以四旋翼无人机为例进行说明,并不构成对本发明实施例中无人机结构的限定。此外,可以是对多个电机进行同步制动,以实现多个电机的同时停机;也可适用于单个电机,此时单个电机采用两次制动的方式进行制动停机。

请参考图1和图2,本申请实施方式的无人机采三相永磁同步电机40,永磁同步电机(技术上也叫PMSM)相对于传统交流电机具有高效、高功率密度以及良好的调速性能。采用永磁同步电机40具有以下优点:(1)电动机无电刷和换向器,工作可靠,维护和保养简单;(2)定子绕组散热快;(3)惯量小,易提高系统的快速性;(4)适应于高速大力矩工作状态;(5)相同功率下,体积和重量较小。

每一永磁同步电机40的电子调速器与无人机的飞行控制器连接和接收控制信号,比如制动控制信号。永磁同步电机40安装在无人机螺旋桨下方为螺旋桨提供动力。

其中,该电子调速器中预设制动时间,在第一次制动过程中,电机产生第一制动力矩,以使快速转动的电机减速。在第二次制动过程中,电机产生第二制动力矩,使得已缓慢转动的电机快速停机。

本实施例中,该第一制动力矩用于降低高速旋转的电机和螺旋桨的惯性。该电子调速器接收来自飞行控制器发出的制动控制信号后,产生该第一制动信号,接着对应电机的转子产生第一制动力矩,该第一制动力矩的施加时间为预设制动时间。

该第一制动力矩的预设制动时间是通过统计多个螺旋桨在不同第一制动力矩的制动下将惯性旋转降低至适合施加停机制动力的所需的不同时间段中选取的,也可以是用户根据自身需求进行手动设定的。

本申请实施例中,第一制动力矩的产生方式可以有多种,可以是由反制制动或者能耗制动或者再生制动产生。

在反接制动实施方式中,在永磁同步电机收到制动控制信号断开电源后,为了使电机迅速停车,再在永磁同步电机的电源上加载与正常运行电源反相的电源,此时,永磁同步电机的转子的旋转方向与电机旋转磁场的旋转方向相反,此时电机产生的电磁力矩为制动力矩,故使永磁同步电机转速下降,直到停转。

在能耗制动实施方式中,定子绕组中通以直流电,从而产生一个固定不变的磁场。此时,惯性旋转的转子按旋转方向切割磁力线,从而产生一个制动力矩,该随之产生很大的制动性质的电机转矩,使电机停转。由于此制动方法是单靠电机把动能消耗掉,因此叫能耗制动。又由于是在定子绕组中通以直流电来制动,因而能耗制动又叫直流注入制动。

在再生制动实施方式中,再生制动和上述两种制动方法均不同。再生制动只是电机在特殊情况下的一种工作状态,而上述反接制动和能耗制动是为达到电机迅速停车的目的,人为在电机上施加制动力的一种方法。在再生制动中,当永磁同步电机的转子速度大于电机同步磁场的旋转速度时,转子所产生的电磁转矩的旋转方向和转子的旋转方向相反,此时,电机处于制动状态。把电机此时的状态叫再生制动,是因为此时电机处于发电状态,即电机的惯性动能转化成了电能。

作为本申请实施例永磁同步电机生成第二制动力矩的第一种实施方式,该第二制动力矩来源于该电机调速器将电机的定子绕组的三相短接。使永磁同步电机40的定子绕组形成瞬时电流回路,在定子绕组的反电动势驱动下产生制动电流,从而生成针对转子的制动力矩,使已缓慢转动的永磁同步电机40停机。

如图2所示,三相永磁同步电机40的驱动电路可以是三相全桥电路,其中,AHDriver,ALDriver,BHDriver,BLDriver,CHDriver,CLDriver分别是A、B、C相的上下管驱动信号。

图2所示实施方式中,第一次制动可以采用再生制动的方式。

在第一制动过程中,上管Q1,Q3,Q5关闭,ALDriver,BLDriver,CLDriver输入相同PWM信号,PWM的频率及占空比根据实际的制动效果设定。在PWM信号的驱动下,Q2,Q4,Q6同时导通关闭,导通时将电机的A、B、C三相短接,使电机的定子绕组形成电流回路,在绕组的反电动势驱动下产生制动电流,从而产生第一制动力矩,阻止固定螺旋桨的转子转动。

其中,PWM的占空比越大,制动力矩越大。

在第二制动过程中,上管Q1,Q3,Q5关闭,ALDriver,BLDriver,CLDriver的关闭会瞬时输出12-15伏的电压,Q2,Q4,Q6同时导通,再次,相当于A、B、C三相短接在一起,由于定子绕组的电阻小,该无需能耗的电路导通产生的制动电流会很大,制动力矩就会比较大。

对于本领域的一般技术人员来说,该第二制动力矩的实现方式很多,可以是电子制动,也可以是微机械制动。

作为生成第二制动力矩的第二实施方式,可以采用能耗制动的方式。该第二制动力矩来源于电机的定子绕组的三相分别施以同一电路,使得电机的定子绕组接通制动电源产生固定的磁场,该磁场对转子产生制动力矩,使已缓慢转动的电机停机。

本申请提供一种双模式的制动机制,即第一制动模式+第二制动模式。前期的第一制动模式避免较大的惯性冲突,使电机和桨叶的惯性减小到一定范围。后期第二制动模式,在电机和桨叶的惯性较小时,施加第二制动力矩,使电机和桨叶在极短的时间内停下来,保证几个桨叶在人眼观察的情况下是同时停下来的。

为解决上述技术问题,本发明实施方式还提供一种第一制动模式+第二制动模式的永磁同步电机制动方法,两次制动操作是由电子调速器和永磁同步电机40共同实现的,以下分别从电子调速器的角度和永磁同步电机的角度来阐述该方法。

请参考图4,从电子调速器的角度来阐述该永磁同步电机制动方法,该方法应用于电子调速器上,包括:

步骤502:接收制动控制信号,该制动控制信号用于指示该电子调速器对永磁同步电机进行制动。

在本发明实施例中,该制动控制信号来自无人机的飞行控制器,该飞行控制器收到遥控器10的制动指令后,向电机对应的所有电子调速器发送制动控制信号。电子调速器各自收到飞行控制器发送的该制动控制信号后,开始对电机进行制动;

步骤504:生成第一制动信号,其中,该第一制动信号用于指示该永磁同步电机40在预设制动时间内减小转速。

在本发明实施例中,启动第一制动模式产生第一制动信号,其中,该第一制动信号用于使电机生成第一制动力矩以降低高速旋转螺旋桨的惯性。该第一制动力矩的施加时间为设定的制动时间;该方法实施例中,该第一制动力矩产生方式有多种,可以是由反制制动或者能耗制动或者再生制动产生的。相应的,电子调速器生成第一制动信号的具体实施方式可以包括:通过反制制动、能耗制动以及再生制动中的其中一种制动方式生成第一制动信号。

步骤506:向该永磁同步电机40发送该第一制动信号。

步骤508:当该预设制动时间计时结束时,生成第二制动信号,该第二制动信号用于指示该永磁同步电机停止转动。

其中,该第二制动信号用于使已经缓慢转动的电机快速停机。

步骤510:向该永磁同步电机发送该第二制动信号。

该方法实施例中,电机接收到第二制动信号后,生成对应的第二制动力矩。该第二制动力矩产生方式也有多种,本实施方式中主要涉及以下两种:

电机生成该第二制动力矩的第一实施方式可以为:将电机的A、B、C三相短接,使电机的定子绕组形成瞬时电流回路,在定子绕组的反电动势驱动下产生制动电流,从而对转子产生第二制动力矩,使已缓慢转动的电机停机。

电机生成该第二制动力矩的第二实施方式可以为:在电机的定子绕组的三相上分别施加相同的电流信号,使得电机的定子绕组接通制动电源产生固定的磁场,该磁场对转子产生第二制动力矩,使已缓慢转动的电机停机。

请参考图5,从永磁同步电机40的角度来阐述该永磁同步电机制动方法,该方法应用于多个永磁同步电机上,使得多个永磁同步电机的螺旋桨在人眼观察的情况下同时停下来,具体包括:

步骤602:接收电子调速器产生的第一制动信号。

步骤604:根据该第一制动信号,生成第一制动力矩,其中,该第一制动力矩用于在预设制动时间内减小该永磁同步电机的转速。

步骤606:根据该第一制动力矩,调节该永磁同步电机的转速。

步骤608:接收电子调速器生成的第二制动信号。

步骤610:根据该第二制动信号,生成第二制动力矩,其中,该第二制动力矩用于使该永磁同步电机停止转动。

步骤612:根据该第二制动力矩,控制该永磁同步电机停止转动。

其中,该第一制动力矩可以由反接制动或者能耗制动或者再生制动产生。

可选的,步骤610根据该第二制动信号,生成第二制动力矩的具体实施方式可以为:

永磁同步电机40根据该第二制动信号,将该永磁同步电机的定子绕组的三相短接,使该永磁同步电机的定子绕组产生制动电流;根据该制动电流,对该永磁同步电机的转子生成第二制动力矩。

可选的,步骤610根据该第二制动信号,生成第二制动力矩的具体实施方式可以为:

永磁同步电机40根据该第二制动信号,在该永磁同步电机的定子绕组的三相上分别生成相同的电流信号,使得该永磁同步电机的定子绕组产生固定的磁场;根据该磁场对该永磁同步电机的转子生成第二制动力矩。

请参阅图6,本发明实施例提供了一种电子调速器,可以用于执行本发明实施例公开的永磁同步电机制动方法。如图6所示,该电子调速器可以包括:

接收模块701,用于接收制动控制信号,该制动控制信号用于指示电子调速器对永磁同步电机进行制动。

生成模块702,用于生成第一制动信号,其中,该第一制动信号用于指示永磁同步电机在预设制动时间内减小转速。

发送模块703,用于向永磁同步电机发送该第一制动信号。

生成模块702,还用于当预设制动时间计时结束时,生成第二制动信号,该第二制动信号用于指示永磁同步电机停止转动。

发送模块703,还用于向永磁同步电机发送该第二制动信号。

请参阅图7,本发明实施例提供了一种永磁同步电机,可以用于执行本发明实施例公开的永磁同步电机制动方法。如图7所示,该永磁同步电机可以包括:

接收模块801,用于接收第一制动信号。

其中,该第一制动信号可以是由控制该永磁同步电机的电子调速器发出的。

第一生成模块802,用于根据该第一制动信号,生成第一制动力矩,其中,该第一制动力矩用于在预设制动时间内减小永磁同步电机的转速。

可选的,第一制动力矩可以由反接制动或者能耗制动或者再生制动产生。

调节模块803,用于根据该第一制动力矩,调节永磁同步电机的转速。

接收模块801,还用于接收第二制动信号。

其中,该第二制动信号可以是由控制该永磁同步电机的电子调速器发出的。

第二生成模块804,用于根据该第二制动信号,生成第二制动力矩,其中,该第二制动力矩用于使永磁同步电机停止转动。

控制模块805,用于根据该第二制动力矩,控制永磁同步电机停止转动。

作为一种可选的实施方式,第二生成模块804具体可以用于根据该第二制动信号,将永磁同步电机的定子绕组的三相短接,使永磁同步电机的定子绕组产生制动电流,并根据该制动电流,对永磁同步电机的转子生成第二制动力矩。

作为另一种可选的实施方式,第二生成模块804具体可以用于根据该第二制动信号,在永磁同步电机的定子绕组的三相上分别生成相同的电流信号,使得永磁同步电机的定子绕组产生固定的磁场,并根据该磁场对永磁同步电机的转子生成第二制动力矩。

本技术方案中:提供的实现多电机同步制动无人机、永磁同步电机组件以及永磁同步电机制动方法,将制动分为降低惯性转矩阶段和急速同步制动两个阶段,电机和螺旋桨旋转速度小到设定的范围时再次施加同步停机的制动力,实现无人机螺旋桨快速一致的停下来,保证无人机的多个螺旋桨在人眼观察的情况下同时停下来。

以上所述仅为本发明的实施方式,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

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