无人机电机电流闭环拖动方法、装置、设备及存储介质与流程
本发明属于无人机电机拖动技术领域，具体的说是一种无人机电机电流闭环拖动方法、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。目前无人机绝大部分都采用永磁同步电机驱动。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。
在现有的开环拖动技术中，恒压频比拖动技术(即v/f拖动技术)得到了广泛的使用。但是，v/f开环拖动技术并不适用于无人机中的永磁同步电机。首先，在v/f开环控制时，永磁同步电机的速度动态特性很差，电机转矩利用率低，还需要根据负载的特性对控制参数做出相应的调整。特别是在低速控制时，受定子电阻压降和逆变器开关延时的影响，系统可能会出现不稳定的现象，容易使永磁同步电机失步或停止运转，严重时会出现永磁体失磁使电机损坏的情况。同时永磁同步电机v/f曲线的合理配置范围比较狭窄，微小的电压/频率配置误差就会严重影响系统的带载能力和稳定运行能力，因此调试永磁电机的v/f曲线比较困难，不适用于动态性能要求高的变负载场合。
根据上述情况，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，现在迫切需要研究出一种无人机电机开环拖动方法以及应用该方法的装置、设备和存储介质。通过该方法为无人机电机提出一种新的速度开环拖动技术，解决无v/f拖动技术带载能力差，易失步等问题。
技术实现要素：
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电流闭环拖动方法、装置、设备及存储介质。本发明提供的无人机电机给定直轴电流拖动方法可以解决无人机电机开环拖动阶段v/f拖动技术带载能力差，易失步等问题，同时解决了无人机电机拖动稳定性、抗干扰等问题，并且调试方法简单。
为实现上述目的，本发明提供一种无人机电机电流闭环拖动方法，其特征在于，包括以下步骤：
向电机定子绕组施加第一电流矢量，所述第一电流矢量的直轴电流值为预定值，交轴电流值为0；
分别获得直轴电压值和交轴电压值；
将所述直轴电压值和交轴电压值变换得到相应的alpha轴电压值和beta轴电压值；
将所述alpha轴电压值和beta轴电压值进行调制得到电机三相电流信号，并将所述三相电流信号输入电机并拖动电机工作；
分别获取电机的三相电流采样电流值，并将所述三相电流采样电流值变换得到相应的直轴电流反馈值和交轴电流反馈值；
将所述直轴电流反馈值和交轴电流反馈值反馈给所述第一电流矢量，实现电流闭环并拖动无人机电机工作。
进一步的，上述无人机电机电流闭环拖动方法还包括：
获得电机转子初始位置角，并控制电机转子位置角。
进一步的，将所述电机转子位置角应用于park变换和反park变换。
进一步的，所述直轴电压值和交轴电压值经过反park变换得到相应的alpha轴电压值和beta轴电压值。
进一步的，电机的三相电流采样电流值经过clark变换和park变换得到相应的直轴电流反馈值和交轴电流反馈值。
进一步的，所述第一电流矢量的直轴电流值从0开始匀速增长到预定值。
进一步的，所述第一电流矢量的直轴电流值的预定值在电机额定负载电流的6％-14％的区间内。
另一方面，本发明提供一种无人机电机电流闭环拖动装置，其中，包括：
电流注入单元：向电机定子绕组施加第一电流矢量，所述第一电流矢量的直轴电流值为预定值，交轴电流值为0；
电压获取单元：配置用于分别获得直轴电压值和交轴电压值；
电压转换单元：配置用于将所述直轴电压值和交轴电压值变换得到相应的alpha轴电压值和beta轴电压值；
电流转换单元：配置用于将所述alpha轴电压值和beta轴电压值进行调制得到电机三相电流信号，并将所述三相电流信号输入电机并拖动电机工作；
电流采样单元：配置用于分别获取电机的三相电流采样电流值，并将所述三相电流采样电流值变换得到相应的直轴电流反馈值和交轴电流反馈值；
电流反馈单元：配置用于将所述直轴电流反馈值和交轴电流反馈值反馈给所述第一电流矢量，实现电流闭环并拖动无人机电机工作。
进一步的，上述无人机电机电流闭环拖动装置还包括：
转子位置角控制单元：配置用于获得电机转子初始位置角，并控制电机转子位置角。
进一步的，将所述电机转子位置角应用于park变换和反park变换。
进一步的，所述电压转换单元还配置用于所述直轴电压值和交轴电压值经过反park变换得到相应的alpha轴电压值和beta轴电压值。
进一步的，所述电流采样单元还配置用于电机的三相电流采样电流值经过clark变换和park变换得到相应的直轴电流反馈值和交轴电流反馈值。
进一步的，所述电流注入单元还配置用于所述第一电流矢量的直轴电流值从0开始匀速增长到预定值。
进一步的，所述第一电流矢量的直轴电流值的预定值在电机额定负载电流值的6％-14％的区间内。
另一方面，本发明提供一种无人机电机电流闭环拖动设备，所述设备包括：
一个或多个处理器；
数据存储器，用于存储反park变换公式、park变换公式和clark变换公式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，本发明提供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电流闭环拖动方法，解决了现有的v/f拖动技术的带载能力差、易失步且v/f拖动技术不适用于对无人机电机的拖动等问题。
2、本发明所示例的无人机电机电流闭环拖动方法采用加速度积分的方式控制生成转子位置角信号，能够实现无人机电机的平滑拖动。
3、本发明所示例的无人机电机电流闭环拖动装置，通过采用电流注入单元、电压获取单元、电压转换单元、电流转换单元、电流采样单元和电流反馈单元，以及上述单元的相互配合工作，解决了现有的v/f拖动技术的带载能力差、易失步且v/f拖动技术不适用于对无人机电机的拖动等问题。
4、本发明所示例的无人机电机电流闭环拖动设备、通过存储有计算机程序的计算机可读介质,便于无人机电机电流闭环拖动技术的推广。
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为本发明实施例示例的无人机电机电流闭环拖动方法过程示意图；
图2为本发明实施例示例的无人机电机电流闭环拖动系统的控制架构示意图；
图3为本发明实施例示例的无人机电机电流闭环拖动方法中的拖动转速matlab仿真效果图(横轴为时间轴，单位为秒(s)，纵轴为转子拖动转速，单位为弧度/秒(rad/s))；
图4为本发明实施例示例的无人机电机电流闭环拖动方法中拖动转子位置角matlab仿真效果图(横轴为时间轴，单位为秒(s)，纵轴为转子位置角，单位为弧度(rad)))。
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。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。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。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请：
在本实施例中闭环是指电流闭环，开环是指转速开环。
如图1所述，本实施例示例的一种无人机电机电流闭环拖动方法，包括以下步骤：向电机定子绕组施加第一电流矢量，第一电流矢量的直轴电流值为预定值，交轴电流值为0；分别获得直轴电压值和交轴电压值；将直轴电压值和交轴电压值变换得到相应的alpha轴电压值和beta轴电压值；将alpha轴电压值和beta轴电压值进行调制得到电机三相电流信号，并将三相电流信号输入电机并拖动电机工作；分别获取电机的三相电流采样电流值，并将三相电流采样电流值变换得到相应的直轴电流反馈值和交轴电流反馈值；将直轴电流反馈值和交轴电流反馈值反馈给第一电流矢量，实现电流闭环并拖动无人机电机工作。将直轴电流反馈值和交轴电流反馈值反馈给第一电流矢量的作用就是形成电流闭环控制。
上述无人机电机电流闭环拖动方法还包括：获得电机转子初始位置角，并控制电机转子位置角。
进一步的，将电机转子位置角应用于park变换和反park变换。
进一步的，直轴电压值和交轴电压值经过反park变换得到相应的alpha轴电压值和beta轴电压值。
进一步的，电机的三相电流采样电流值经过clark变换和park变换得到相应的直轴电流反馈值和交轴电流反馈值。
进一步的，第一电流矢量的直轴电流值从0开始匀速增长到预定值。
进一步的，第一电流矢量的直轴电流值的预定值在电机额定负载电流的6％-14％的区间内。
为便于对本发明的理解，下面以本发明电流闭环开环拖动电机的原理，结合实施例中的对无人机电机拖动的过程，对本发明提供的无人机电机电流闭环拖动方法做进一步的描述：
根据某企业自主研发的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，向电机定子绕组同步旋转坐标系(dq坐标系)下的直轴(d轴)施加一个从0开始匀速增加到固定值const的电流，直轴电流标记为id_ref；与此同时保持交轴(q轴)的电流为0，交轴电流标记为iq_ref。如附图图二中所示iq_ref＝0，id_ref＝const。直轴电流的电流值const的大小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需求。
通过电机直交轴电流环pi控制器分别获得同步旋转坐标系(dq坐标系)下的给定直轴电压值和交轴电压值，直轴电压值标记为vd，交轴电压值标记为vq。
将直轴电压值vd和交轴电压值vq通过反park变换得到相应的alpha轴电压值和beta轴电压值，alpha轴电压值标记为valpha，beta轴电压值标记为vbeta。
通过空间矢量脉宽调制器svpwm(spacevectorpulsewidthmodulation)将alpha轴电压值valpha和beta轴电压值vbeta调制，得到控制电机开关管的三相电流信号，实现无人机电机开环拖动。
在无人机电机开环拖动的过程中，采用采样电阻或霍尔传感器获取无人机电机的三相电流采样电流值，并将电机的三相电流采样电流值经过clark变换和park变换得到相应的直轴电流反馈值和交轴电流反馈值，直轴电流反馈值标记为id_fed，交轴电流反馈值标记为iq_fed。
在无人机电机同步旋转坐标系(dq坐标系)下，直轴(d轴)电流环的输入值为id_ref＝const，反馈值为id_fed，pi控制器输出的直轴电压值为vd；交轴(q轴)电流环的输入值为iq_ref＝0，反馈值为iq_fed，pi控制器输出的交轴电压值为vq，从而实现了电流闭环开环拖动无人机电机。
在无人机电机拖动控制过程中park变换和反park变换的转子位置角，标记为θ，由转子位置角控制器给定，如附图图2中theta所示。为了保证整个系统的控制平滑性，转子位置角控制器采用加速度a积分获得给定转子位置角theta。即
ω＝∫adt
theta＝∫ωdt+θ0
式中，θ0为转子初始位置角。
本实施例示例的无人机电机为永磁无刷电机。
附图图3为拖动转速matlab仿真效果图；从附图图3中可以看到，拖动转速平滑，无左右反转震荡情况产生,且随着转速的增大，转速越来越平滑。
附图图4为转子位置角matlab仿真效果图，其中转子初始位置角为
由附图图3和附图图4可以看到通过本实施例示例的无人机电机电流闭环拖动方法能够实现无人机电机的平滑拖动。
本实施例示例的无人机电机电流闭环拖动方法，在现有的v/f拖动技术之外，全新的提出了一种新型无人机电机拖动方法，从而解决了现有的v/f拖动技术的带载能力差、易失步且不适用于对无人机电机拖动等技术问题。
本实施例还提供的一种无人机电机电流闭环拖动装置，包括：
电流注入单元：向电机定子绕组施加第一电流矢量，所述第一电流矢量的直轴电流值为预定值，交轴电流值为0；
电压获取单元：配置用于分别获得直轴电压值和交轴电压值；
电压转换单元：配置用于将所述直轴电压值和交轴电压值变换得到相应的alpha轴电压值和beta轴电压值；
电流转换单元：配置用于将所述alpha轴电压值和beta轴电压值进行调制得到电机三相电流信号，并将所述三相电流信号输入电机并拖动电机工作；
电流采样单元：配置用于分别获取电机的三相电流采样电流值，并将所述三相电流采样电流值变换得到相应的直轴电流反馈值和交轴电流反馈值；
电流反馈单元：配置用于将所述直轴电流反馈值和交轴电流反馈值反馈给所述第一电流矢量，实现电流闭环并拖动无人机电机工作。
进一步的，上述无人机电机电流闭环拖动装置还包括：
转子位置角控制单元：配置用于获得电机转子初始位置角，并控制电机转子位置角。
进一步的，将电机转子位置角应用于park变换和反park变换。
进一步的，所述电压转换单元还配置用于所述直轴电压值和交轴电压值经过反park变换得到相应的alpha轴电压值和beta轴电压值。
进一步的，所述电流采样单元还配置用于电机的三相电流采样电流值经过clark变换和park变换得到相应的直轴电流反馈值和交轴电流反馈值。
进一步的，所述电流注入单元还配置用于所述第一电流矢量的直轴电流值从0开始匀速增长到预定值。
进一步的，第一电流矢量的直轴电流值的预定值在电机额定负载电流值的6％-14％的区间内。
本实施例示例的无人机电机电流闭环拖动装置，通过采用电流注入单元、电压获取单元、电压转换单元、电流转换单元、电流采样单元和电流反馈单元，以及上述单元的相互配合工作，解决了现有的v/f拖动技术的带载能力差、易失步且v/f拖动技术不适用于对无人机电机的拖动等技术问题。
本实施例还提供的一种无人机电机电流闭环拖动设备，所述设备包括：
一个或多个处理器；
数据存储器，用于存储反park变换公式、park变换公式和clark变换公式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，本实施例还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。
本实施例示例的无人机电机电流闭环拖动设备、通过存储有计算机程序的计算机可读介质,便于无人机电机电流闭环拖动技术的推广。
除去实施例一所述的外，本发明示例的无人机电机电流闭环拖动方法、装置、设备及存储介质除了可以用于永磁无刷交流电机(pmsm)的开环拖动外还可以用于永磁无刷直流电机(bldcm)的开环拖动。
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。
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