一种无人机电机驱动系统及电机容错控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机电机驱动系统，该无人机电机驱动系统通过在电机内增加光编码器来实现高精度的转速测量，进而实现高性能的电机转速控制。同时，公开了一种电机容错控制方法，在电机运行过程中，结合反电动势过零检测信号来判断编码器故障类型，并实现转速闭环容错控制。本发明专利技术的无人机电机驱动系统及容错控制方法，在提高电机转速控制性能的同时，保证了电机驱动系统的可靠性，有望进一步提高无人机飞行控制性能。

A motor drive system and fault tolerant control method for UAV

【技术实现步骤摘要】
一种无人机电机驱动系统及电机容错控制方法
本专利技术属于无人机
，具体涉及一种无人机电机驱动系统及电机容错控制方法。
技术介绍
随着无人机技术的发展和成熟，多旋翼无人机被广泛应用于航拍、农业植保、电力巡检等应用场景；得益于其能够垂直起降以及运动灵活等优点，也逐渐被应用于低空交通、智能编队、协同作业等任务中，这些应用需求对无人机的飞行控制性能提出更高的要求。电机驱动系统作为多旋翼无人机动力的重要组成部分，其转速控制的精度和响应速度直接影响了无人机的飞行控制性能。传统多旋翼无人机电机驱动系统多采用无刷直流电机和无速度传感器方案，电机转速一般采用开环控制。电机驱动系统根据飞控发来的油门输入信号，通过直接改变输出PWM占空比，来对电机进行调速。但无人机的各轴电调电机之间很难保证完全一致，相同的油门输入信号可能会导致不同的转速输出，从而影响了飞行控制性能。因此可以说，无速度传感器方案虽然提高了无人机电机驱动系统的可靠性，但影响了电机控制性能，尤其是转速控制性能。因此，有必要考虑将速度传感器应用于无人机电机驱动系统中以提高转速控制性能。但速度传感器在复杂工况下容易损坏，统计表明大部分电机故障是由于传感器损坏造成的，因此对速度传感器故障进行容错控制具有重要意义。中国专利号CN109194206A中提出一种应用于无刷直流电机的霍尔传感器故障检测及容错控制方法，但利用霍尔传感器测量转速的精度或实时性不高，对转速控制性能的提升并不大。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种无人机电机驱动系统及电机容错控制方法，该无人机电机驱动系统可实现转速闭环控制，并能在光电编码器故障时进行容错控制；在提高系统转速控制性能的同时，保证了系统的可靠性。本专利技术的目的通过如下的技术方案来实现：一种无人机电机驱动系统，该系统包括通过线缆连接的电机和电调；所述电机采用内嵌有光电编码器的无刷直流电机，所述的光电编码器用于反馈电机转速信息且输出两路正交差分信号；所述电调包括外壳以及安装在所述外壳内部的处理器、光电编码器信号处理电路以及编码器故障指示模块，所述光电编码器信号处理电路用于将所述的光电编码器的差分正交信号转换为合适电平的单端信号，并输出给处理器；所述处理器用于接收光电编码器的输入信号、无人机飞行控制器发送的油门信号，并输出信号控制电机转动、且在电机的光电编码器故障时打开所述的编码器故障指示模块。进一步地，所述光电编码器信号处理电路包括差分处理、隔离及电压转换电路。进一步地，编码器故障分为A/B单相故障，即A/B信号中某一路信号出现异常，另外一路信号正常；以及A/B双相故障，即A/B信号中两路信号都出现异常；所述的编码器指示模块采用蓝红双色LED指示灯来实现，其中蓝色代表光电编码器A/B单相故障，红色代表光电编码器A/B双相故障。进一步地，所述的处理器采用STM32或DSP芯片。一种基于无人机电机驱动系统的电机容错控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1：在电机运行过程中，根据无人机飞行控制器发送的油门信号，换算得到给定电机转速nin。S2：根据检测到的光电编码器脉冲数，计算编码器测量转速n1。S3：根据反电动势过零检测信号周期，计算得到反电动势测量转速n2；S4：对比转速n1与转速n2的值，来判断光电编码器是否发生故障。S5：根据S4光电编码器故障判断，确定实测转速nf；当光电编码器未发生故障时，实测转速nf＝n1；当光电编码器发生单相故障时，实测转速nf＝n1*2；当光电编码器发生双相故障时，实测转速nf＝n2；S6：根据给定转速nin和实测转速nf，计算得到当前转速差e＝nin-nf，通过采用合适的控制算法来控制输出不同占空比D的PWM信号给电机，来调节电机转速变化至预期附近。进一步地，给定电机转速nin＝d*nN，其中d为油门信号，大小范围为0-100％，nN为电机额定转速；油门大小计算公式为：d＝(Thigh-1000)/1000*100％,其中Thigh为油门PWM信号的高电平时间，单位为us。进一步地，所述的编码器测量转速n1计算公式如下：其中，n1的单位为r/min，M为单位周期T1内检测到的光电编码器脉冲数，N为电机转一圈光电编码器的输出，当处理器对光电编码器A/B信号的上升下降沿都进行检测时，N＝4N0，N0为编码器线数。进一步地，所述的转速n2为：其中，转速n2的单位为r/min，P为电机极对数，T2为测得任意一相反电动势过零点的相邻两次上升沿之间的时间。进一步地，所述的S4中，判断光电编码器是否发生故障的方法为：设定一阈值K1和阈值K2，若|n1-n2|<K1，判断光电编码器未发生故障；若|n1-n2|≥K1且|n1*2-n2|<K2，判断光电编码器发生A/B单项故障；若|n1-n2|≥K1且|n1*2-n2|≥K2，判断光电编码器发生双相故障。其中K1，K2为常数系数。进一步地，所述的S6中的控制算法采用PID控制，即其中Kp、Ki、Kd分别为PID参数，e(i)＝nin(i)-nf(i)，i＝0,1,...k-1,k,...n；nin(i)，nf(i)分别表示第i次周期时的给定电机转速和实测转速。本专利技术的有益效果如下：本专利技术在传统无人机电机驱动系统上，采用高精度的编码器来实现高性能的转速测量和控制，并在编码器故障时可以进行容错控制。因此，本专利技术提供的无人机电机驱动系统及控制方法在保证无人机动力系统可靠性的同时，提高了转速的控制性能，从而可进一步提升无人机的飞行控制能力。附图说明图1是本专利技术中无人机电机驱动系统的结构框图；图2是本专利技术中正交光电编码器A/B信号波形示意图；图3是本专利技术中无刷直流电机光电编码器故障检测及转速闭环控制方法；图4是本专利技术中一实施例中无刷直流电机转速闭环控制框图。具体实施方式下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施示例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术的无人机电机驱动系统的结构框图如图1所示。该系统包括通过线缆连接的电机和电调；电机采用无刷直流电机，内嵌有光电编码器，用于反馈电机转速信息；作为其中一种实施例，所采用的光电编码器精度为每转分度2500线，输出信号为A/B差分正交输出。所述电调包括外壳以及安装在所述外壳内部的处理器、光电编码器信号处理电路以及编码器故障指示模块，所述光电编码器信号处理电路用于将所述的光电编码器的差分正交信号转换为合适电平的单端信号，并输出给处理器；所述处理器用于接收光电编码器的输入信号、无人机飞行控制器发送的油门信号，并输出信号控制电机转动、且在电机的光电编码器故障时打开所述的编码器故障指示模块。作为其中一种实施方式，所述光电编码器信号处理电路包括差分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机电机驱动系统，其特征在于，该系统包括通过线缆连接的电机和电调；/n所述电机采用内嵌有光电编码器的无刷直流电机，所述的光电编码器用于反馈电机转速信息且输出两路正交差分信号；/n所述电调包括外壳以及安装在所述外壳内部的处理器、光电编码器信号处理电路以及编码器故障指示模块，所述光电编码器信号处理电路用于将所述的光电编码器的差分正交信号转换为合适电平的单端信号，并输出给处理器；所述处理器用于接收光电编码器的输入信号、无人机飞行控制器发送的油门信号，并输出信号控制电机转动、且在电机的光电编码器故障时打开所述的编码器故障指示模块。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人机电机驱动系统，其特征在于，该系统包括通过线缆连接的电机和电调；
所述电机采用内嵌有光电编码器的无刷直流电机，所述的光电编码器用于反馈电机转速信息且输出两路正交差分信号；
所述电调包括外壳以及安装在所述外壳内部的处理器、光电编码器信号处理电路以及编码器故障指示模块，所述光电编码器信号处理电路用于将所述的光电编码器的差分正交信号转换为合适电平的单端信号，并输出给处理器；所述处理器用于接收光电编码器的输入信号、无人机飞行控制器发送的油门信号，并输出信号控制电机转动、且在电机的光电编码器故障时打开所述的编码器故障指示模块。


2.根据权利要求1所述的无人机电机驱动系统，其特征在于，所述光电编码器信号处理电路包括差分处理、隔离及电压转换电路。


3.根据权利要求1所述的无人机电机驱动系统，其特征在于，编码器故障分为A/B单相故障，即A/B信号中某一路信号出现异常，另外一路信号正常；以及A/B双相故障，即A/B信号中两路信号都出现异常。所述的编码器故障指示模块采用蓝红双色LED指示灯来实现，其中蓝色代表光电编码器A/B单相故障，红色代表光电编码器A/B双相故障。


4.根据权利要求1所述的无人机电机驱动系统，其特征在于，所述的处理器采用STM32或DSP芯片。


5.一种基于权利要求1所述的无人机电机驱动系统的电机容错控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：在电机运行过程中，根据无人机飞行控制器发送的油门信号，换算得到给定电机转速nin。
S2：根据检测到的光电编码器脉冲数，计算编码器测量转速n1。
S3：根据反电动势过零检测信号周期，计算得到反电动势测量转速n2；
S4：对比转速n1与转速n2的值，来判断光电编码器是否发生故障。
S5：根据S4光电编码器故障判断，确定实测转速nf；当光电编码器未发生故障时，实测转速nf＝n1；当光电编码器发生单相故障时，实测转速nf＝n1*2；当光电编码器发生双相故障时，实测转速nf＝n2；

【专利技术属性】
技术研发人员：谢安桓，华强，项森伟，胡易人，张丹，朱世强，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：浙江;33