CN111211712B - 一种无人机电机驱动系统及电机容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种无人机电机驱动系统及电机容错控制方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种无人机电机驱动系统及电机容错控制方法。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明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。

本发明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n_in。

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n_f；当光电编码器未发生故障时，实测转速n_f＝n1；当光电编码器发生单相故障时，实测转速n_f＝n1*2；当光电编码器发生双相故障时，实测转速n_f＝n2；

S6：根据给定转速n_in和实测转速n_f，计算得到当前转速差e＝n_in-n_f，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n_in＝d*n_N，其中d为油门信号，大小范围为0-100％，n_N为电机额定转速；油门大小计算公式为：d＝(T_high-1000)/1000*100％,其中T_high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K_p、K_i、K_d分别为PID参数，e(i)＝n_in(i)-n_f(i)，i＝0,1,...k-1,k,...n；n_in(i)，n_f(i)分别表示第i次周期时的给定电机转速和实测转速。

本发明的有益效果如下：

本发明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，本发明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是本发明中无人机电机驱动系统的结构框图；

图2是本发明中正交光电编码器A/B信号波形示意图；

图3是本发明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是本发明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发明，本发明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发明，并不用于限定本发明。

本发明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处理和隔离及电压转换电路，采用差动芯片MC3486将编码器的差分输出信号转换成单端信号；采用高速光耦HCPL2630对信号进行隔离并转化成处理器对应的3.3V电平信号。

所述编码器故障指示模块采用双色指示灯来实现；作为其中一种实施例，采用红/蓝双色，其中蓝色代表光电编码器A/B单相故障，其中红色代表光电编码器A/B双相故障。

所述处理器可用于接收光电编码器输入信号和接收无人机飞行控制器发送的油门信号，输出信号控制电机转动；在电机的光电编码器故障时，点亮故障指示灯。

作为其中一种实施例，所述处理器采用STM32F405，其主频达168MHz，带有浮点数运算功能，并具有丰富的接口。

经所述编码器信号处理电路处理后，得到的A/B信号波形示意图如图2所示，之后处理器对处理后的A/B信号进行读取来获取电机转速。优选地，为提高编码器测量转速精度，利用处理器STM32F405的编码器输入功能对编码器脉冲进行技术，这里选择对A/B信号的上升下降沿都进行计数。

本发明提供的一种电机容错控制方法，其流程如图3所示，具体步骤如下：

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，换算得到给定转速。

优选地，给定转速n_in＝d*n_N，其中d为油门信号，大小范围为0-100％，n_N为电机额定转速。无人机飞行控制器发送的油门信号为PWM信号，其油门大小计算公式为：d＝(T_high-1000)/1000*100％,其中T_high为油门PWM信号的高电平时间，单位为us。

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。

优选地，考虑到编码器精度较高，这里采用采用测频法来实现转速测量，来保证转速能够以一定周期更新。假设单位周期T1内检测到的光电编码器脉冲数为M，

其中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。

本实例中，编码器线数N₀＝2500，处理器定时器对光电编码器A/B信号的上升和下降沿处都进行采样，N＝10000。

S3：根据反电动势过零检测信号周期，计算得到转速n2；

考虑到电机转动一圈种反电动势过零检测脉冲较少，这里采用采用测周法来进行转速测量，以保证测量精度。假设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为T2，则

其中P为电机极对数。

本实例中，反电动势过零点检测信号周期是通过STM32处理器的定时器来实现：当反电动势过零点上升沿出现时，定时器计数清零，下一次反电动势过零点上升沿出现时的定时器计数值对应的时间即为反电动势过零点检测信号周期T2。

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。

考虑到正常情况下编码器测量转速n1与反电动势测量转速n2会比较接近，可以通过比较差值来判断光电编码器是否发生故障；当出现A/B单相故障时，即A/B其中一项没有信号输出时，编码器测得转速的2倍与反电动势测量转速n2会比较接近。因此，可以设定一阈值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，同时点亮蓝色故障灯；若|n1-n2|≥K1且|n1*2-n2|≥K2，判断光电编码器发生双相故障，同时点亮红色故障灯。

S5：根据S4光电编码器故障判断，确定实测转速。当光电编码器未发生故障，实测转速n_f＝n1；当光电编码器发生单相故障，实测转速n_f＝n1*2；当光电编码器发生双相故障时，实测转速n_f＝n2。

S6：根据给定转速n_in和实测转速n_f，计算得到当前转速差e＝n_in-n_f，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。

考虑到工程实现和参数调试方便，控制算法可采用本技术领域常用的PID控制，即

其中K_p、K_i、K_d分别为PID参数，e(i)＝n_in(i)-n_f(i)，i＝0,1,...k-1,k,...n,n_in(i)，n_f(i)分别表示第i次周期时的给定电机转速和实测转速。

图4为本实例中一种带编码器故障容错的无人机无刷直流电机转速闭环控制方法。如图所示，根据步骤S1计算方法，由油门信号换算得到给定转速n_in；根据步骤S2-S5计算方法，可以得到实测转速n_f。根据步骤S6，计算得到当前转速差e＝n_in-n_f。经过速度调节器后，输出不同电压给逆变器模块，然后来驱动无刷直流电机，其中速度调节器采用PID控制算法。

对于传统的无人机电机驱动系统而言，一般采用反电动势过零信号来测量转速。电机转动一圈，单相反电动势过零输出的脉冲数为P，其中P为电机极对数。若采用测频法进行转速测量时，转速测量误差计算公式为：

考虑到反电动势过零检测时P*T*n数值较小，因此测频法误差很大；例如当转速n＝1000rpm，更新周期T＝0.02s，电机极对数P＝4时，转速测量误差E1＝75％。若采用测周法对转速测量时，转速测量更新时间

可知转速更新时间与转速相关，且在低转速下更新时间很长；例如，电机极对数P＝4时，转速n＝100rpm时，T_o＝0.15ms；转速n＝1000rpm时，T_o＝0.015ms。

为实现电机高性能转速控制，通常在一定周期时对转速进行测量和调节，因此要求转速测量需要在一定周期内更新。但传统采用反电动势过零信号来测量转速存在误差大或更新时间不确定的问题，影响实现无人机电机高性能转速控制。

本发明将高精度的编码器引入之无人机电机驱动系统，来提高转速测量精度和减小响应时间。本实例中，编码器线数N₀＝2500，处理器定时器对光电编码器A/B信号的上升和下降沿处都进行采样，电机转动一圈脉冲数N＝10000。这里采用测频法来进行电机转速测量，以保证转速测量周期一定。这里假设更新周期T＝0.01s，当转速n＝100rpm时，转速量化误差

在转速n＝1000rpm时，转速量化误差

可知，利用编码器测量转速，不仅能保证较小的更新周期，还能保证测量精度。

综上所述，本发明将高精度的编码器引入之无人机电机驱动系统，来实现高性能的转速测量和控制，并能对编码器故障进行检测和容错控制。因此，本发明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，提高了系统的控制性能，从而可进一步提升无人机的飞行控制能力。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一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，所述无人机电机驱动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；

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n_in；

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，具体的判断方法为：

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；

S5：根据S4光电编码器故障判断，确定实测转速n_f；当光电编码器未发生故障时，实测转速n_f＝n1；当光电编码器发生单相故障时，实测转速n_f＝n1*2；当光电编码器发生双相故障时，实测转速n_f＝n2；

S6：根据给定转速n_in和实测转速n_f，计算得到当前转速差e＝n_in-n_f，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。

2.根据权利要求1所述的电机容错控制方法，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所述的电机容错控制方法，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所述的电机容错控制方法，其特征在于，所述的处理器采用STM32或DSP芯片。

5.根据权利要求1所述的电机容错控制方法，其特征在于，给定电机转速n_in＝d*n_N，其中d为油门信号，大小范围为0-100％，n_N为电机额定转速；油门大小计算公式为：d＝(T_high-1000)/1000*100％,其中T_high为油门PWM信号的高电平时间，单位为us。

6.根据权利要求1所述的电机容错控制方法，其特征在于，所述的光电编码器测量转速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。

7.根据权利要求1所述的电机容错控制方法，其特征在于，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。

8.根据权利要求1所述的电机容错控制方法，其特征在于，所述的S6中的控制算法采用PID控制，即

其中K_p、K_i、K_d分别为PID参数，e(i)＝n_in(i)-n_f(i)，i＝0,1,...k-1,k,...n；n_in(i)，n_f(i)分别表示第i次周期时的给定电机转速和实测转速。

Images