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      用于四旋翼無人機電機的滑模控制方法與流程

      文檔序號:11111555閱讀:600來源:國知局
      用于四旋翼無人機電機的滑??刂品椒ㄅc制造工藝

      本發(fā)明涉及一種直流無刷電機的非線性控制方法,主要是涉及一種應(yīng)用于四旋翼無人機直流無刷電機的控制。



      背景技術(shù):

      近年來,對四旋翼無人機的控制研究已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。四旋翼無人機是典型的欠驅(qū)動、強耦合的非線性系統(tǒng),研究主要集中于采用非線性控制算法實現(xiàn)對無人機姿態(tài)和位置信息的精確控制,而對作為執(zhí)行器的電機控制卻少有專門的研究。電機能夠快速準確地跟蹤控制器的輸出,以及有效地抗擾動性能也是實現(xiàn)四旋翼無人機精確控制的關(guān)鍵因素。

      阿拉巴馬大學(xué)的研究人員使用滑模觀測器觀測系統(tǒng)中的未知擾動,并將四旋翼無人機飛行系統(tǒng)設(shè)計成多級閉環(huán)控制系統(tǒng),采用非線性滑??刂破鲗崿F(xiàn)對無人機的控制。但是,這種控制策略忽略了電機擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。(期刊:Journal of the Franklin Institute;著者:Lenaick B,Yuri B,Brian L,出版年月2012;文章題目:Quadrotor vehicle control via sliding mode controller driven by sliding mode disturbance observer,頁碼:658-684)。

      瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員采用高精度的視覺傳感器實現(xiàn)無人機的自主飛行控制,在無人機上安裝立體成像攝像頭,能夠?qū)崟r感知構(gòu)建周圍環(huán)境的3D模型,提高無人機對環(huán)境的自主適應(yīng)能力,但是面對狹小空間時,無人機的精確位置控制尤為重要,需要電機良好的動態(tài)性能以及抗擾動能力。(會議:IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems;著者:Friedrich F,Lionel H,Dominik H,Gim H L;出版年月:2012;文章題目:Vision-Based Autonomous Mapping and Exploration Using a Quadrotor MAV,頁碼:4557-4564)。



      技術(shù)實現(xiàn)要素:

      為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明旨在提出一種基于SMC(滑模魯棒控制)的閉環(huán)BLDC(直流無刷電機)控制方法,提高電機的響應(yīng)速度和抗干擾能力,實現(xiàn)對旋翼式無人機的精確控制。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是,用于四旋翼無人機電機的滑??刂品椒ǎ⑺男頍o人機的無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型,通過采集電機的三相端電壓值計算反電動勢的過零點,實現(xiàn)對電機的無傳感器驅(qū)動;由電機的換相時間獲取轉(zhuǎn)速信息,采用SMC控制器實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速控制。

      所述的建立無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型具體步驟是:

      假設(shè)定子三相繞組的電阻值均相等,繞組自感和繞組之間互感均為常數(shù),兩者均與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。

      La=Lb=Lc=L1

      Lab=Lba=Lac=Lca=Lbc=Lcb=M

      式中:a,b,c代表定子三相繞組,La,Lb,Lc是定子相繞組的電感值H,Lab,Lba,Lac,Lca,Lbc,Lcb是 定子相繞組的互感值H,則三相繞組的電壓平衡方程為:

      式中:ua,ub,uc是定子相繞組相電壓;ia,ib,ic是定子相繞組電流;是定子相電流值的導(dǎo)數(shù),ea,eb,ec是定子相繞組反電動勢;r1是定子相繞組的電阻;L1是每相繞組的自感;M是每兩相繞組之間的互感,由于三相繞組為星形連接且沒有中線,則有:

      ia+ib+ic=0 (2)

      Mib+Mic=-Mia (3)

      聯(lián)立式(1)-(3)得到:

      進而可以得到三相端電壓方程:

      式中:Ua,Ub,Uc是三相端電壓;ug是中性點電壓;

      對式(4)做進一步的化簡可以得到相應(yīng)的電壓平衡方程式:

      式中:u為電機端電壓;i為相電流;r2為線電阻;L2為線電感;Ke為反電動勢系數(shù);ω為電機角速度;

      機械運動平衡方程為:

      式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Tl為負載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動慣量;B為阻尼系數(shù);φ為每極磁通;Ct轉(zhuǎn)矩常數(shù);Kt為轉(zhuǎn)矩系數(shù);。

      由以上等式得到無刷直流電機的二階微分方程:

      所述的通過采集電機的三相端電壓值計算反電動勢的過零點,實現(xiàn)對電機的無傳感器驅(qū)動具體步驟是:

      以AB相導(dǎo)通、C相懸空為例說明如何計算反電動勢過零點,此時滿足:

      由式(5)得:

      代入式(9),可得:

      由于C相懸空無電流,因而ic=0,,再由式(5)得到:

      通過采集端電壓信號,經(jīng)過軟件計算得到反電動勢過零點,從而為電機運行提供正確的換相信號。

      所述的采用SMC控制器實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速控制方法具體步驟是:

      由于相鄰的兩次反電動勢過零點對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機械角度值可測且相等,得到:

      式(13)中:θ為相鄰兩塊永磁體中性點相距的機械角度,Δt為相鄰兩次反電動勢過零的時間。

      定義轉(zhuǎn)速誤差e及其濾波誤差x:

      e=ω-ωd (14)

      其中ωd為期望的電機轉(zhuǎn)速,將式(15)代入式(8)得到:

      其中d為未知負載擾動,輔助函數(shù)和定義如下:

      這里可假設(shè):d為連續(xù)可微信號,且對時間的二階導(dǎo)數(shù)有界,即

      d∈C2 (19)

      考慮電機的各項參數(shù)以及負載已知,為實現(xiàn)控制目標,設(shè)計控制輸入為:

      將式(20)代入式可得:

      其中sgn(·)為如下分段函數(shù):

      為了說明設(shè)計的能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定,證明過程如下:

      選取Lyapunov函數(shù)V(t)為:

      對V(t)求關(guān)于時間t的導(dǎo)數(shù)并代入式(21)可得:

      當(dāng)滿足如下的充分條件時:

      Γ>||d|| (25)

      得到:

      說明設(shè)計的控制器能夠讓系統(tǒng)穩(wěn)定。

      本發(fā)明的特點及有益效果是:

      本發(fā)明采用SMC控制器對電機進行閉環(huán)控制,實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速對期望值的精確跟蹤,相比于PI(比例微分)控制,減小了電機轉(zhuǎn)速擾動對無人機控制的影響,提高了對無人機姿態(tài)和位置信息的控制精度。

      附圖說明:

      圖1是本發(fā)明的實驗采集數(shù)據(jù)平臺;

      圖2是本發(fā)明采用的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖;

      圖3控制器躍階響應(yīng)曲線。圖中,

      (a)是PI控制器的躍階響應(yīng)曲線;

      (b)是SMC控制器的躍階響應(yīng)曲線;

      圖4是突加負載擾動,PI控制器和SMC控制器的穩(wěn)態(tài)曲線;

      具體實施方式

      本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于SMC(滑模魯棒控制)的閉環(huán)BLDC(直流無刷電機)控制方法,提高電機的響應(yīng)速度和抗干擾能力,實現(xiàn)對旋翼式無人機的精確控制。

      本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:建立四旋翼無人機的無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型,通過采集電機的三相端電壓值計算反電動勢的過零點,實現(xiàn)對電機的無傳感器驅(qū)動;由電機的換相時間獲取轉(zhuǎn)速信息,采用SMC控制器實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速控制。

      所述的建立無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型是:

      假設(shè)定子三相繞組的電阻值均相等,繞組自感和繞組之間互感均為常數(shù),兩者均與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。

      La=Lb=Lc=L1

      Lab=Lba=Lac=Lca=Lbc=Lcb=M

      式中:La,Lb,Lc是定子相繞組的電感值(H),Lab,Lba,Lac,Lca,Lbc,Lcb是定子相繞組的互感值(H)。

      則三相繞組的電壓平衡方程為:

      式中:ua,ub,uc是定子相繞組相電壓(V);ia,ib,ic是定子相繞組電流(A);是定子相電流值的導(dǎo)數(shù),ea,eb,ec是定子相繞組反電動勢(V);r1是定子相繞組的電阻(Ω);L1是每相繞組的自感(H);M是每兩相繞組之間的互感(H)。

      由于三相繞組為星形連接且沒有中線,則有:

      ia+ib+ic=0 (2)

      可得

      Mib+Mic=-Mia (3)

      聯(lián)立式(1)-(3)得到:

      進而可以得到三相端電壓方程:

      式中:Ua,Ub,Uc是三相端電壓;ug是中性點電壓。

      對式(4)做進一步的化簡可以得到相應(yīng)的電壓平衡方程式:

      式中:u為電機端電壓;i為相電流;r2為線電阻;L2為線電感;Ke為反電動勢系數(shù);ω為電機角速度。

      機械運動平衡方程為:

      式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;Tl為負載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動慣量;φ為每極磁通;Ct轉(zhuǎn)矩常數(shù);Kt為轉(zhuǎn)矩系數(shù);B為阻尼系數(shù)。

      由以上等式可得到無刷直流電機的二階微分方程:

      所述的通過采集電機的三相端電壓值計算反電動勢的過零點,實現(xiàn)對電機的無霍爾驅(qū)動是:

      以AB相導(dǎo)通、C相懸空為例說明如何計算反電動勢過零點,此時滿足:

      由式(5)得:

      代入式(9),可得:

      由于C相懸空無電流,因而ic=0,再由式(5)得到:

      通過采集端電壓信號,經(jīng)過軟件計算得到反電動勢過零點,從而為電機運行提供正確的換相信號。

      所述的采用SMC控制器實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速控制方法是:

      由于相鄰的兩次反電動勢過零點對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機械角度值可測且相等,可以得到:

      式(13)中:θ為相鄰兩塊永磁體中性點相距的機械角度,Δt為相鄰兩次反電動勢過零的時間。

      定義轉(zhuǎn)速誤差e及其濾波誤差x:

      e=ω-ωd (14)

      其中ωd為期望的電機轉(zhuǎn)速,將式(15)代入式(8)得到:

      其中d為未知負載擾動,輔助函數(shù)和定義如下:

      這里可假設(shè):d為連續(xù)可微信號,且對時間的二階導(dǎo)數(shù)有界,即

      d∈C2 (19)

      考慮電機的各項參數(shù)以及負載已知,為實現(xiàn)控制目標,設(shè)計控制輸入為:

      將式(20)代入式可得:

      其中sgn(·)為如下分段函數(shù):

      為了說明設(shè)計的能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定,證明過程如下:

      選取Lyapunov函數(shù)V(t)為:

      對V(t)求關(guān)于時間t的導(dǎo)數(shù)并代入式(21)可得:

      當(dāng)滿足如下的充分條件時:

      Γ>||d‖ (25)

      可得到:

      說明設(shè)計的控制器能夠讓系統(tǒng)穩(wěn)定。

      下面結(jié)合具體實例和附圖對本發(fā)明基于SMC控制器的閉環(huán)電機控制,實現(xiàn)無人機精確控 制的方法做出詳細說明。

      考慮到電子調(diào)速器對無人機電機的控制性能直接影響到飛行控制器對無人機姿態(tài)和位置的控制,本發(fā)明采用端電壓檢測法實現(xiàn)對直流無刷電機的無傳感器驅(qū)動,基于SMC設(shè)計控制器,實現(xiàn)對電機的高性能控制,減少了電機轉(zhuǎn)速波動對無人機飛行的干擾,有效地提高了對無人機的控制精度。

      本發(fā)明基于SMC的直流無刷電機控制方法,包括以下步驟:

      1)建立無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型:

      依據(jù)直流無刷電機的機械結(jié)構(gòu)以及動力學(xué)原理,得到電機的端電壓方程和動力學(xué)方程:

      2)通過采集電機的三相端電壓值計算反電動勢的過零點,實現(xiàn)對電機的無霍爾驅(qū)動:

      通過AD模塊采集端電壓信號值,經(jīng)過軟件計算得到反電動勢過零點,從而為電機運行提供正確的換相信號,實現(xiàn)直流無刷電機的無霍爾驅(qū)動。

      3)采用SMC控制器實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速控制

      由于相鄰的兩次反電動勢過零點對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的機械角度值可測且相等,可以得到:

      式中:θ為相鄰兩塊永磁體中性點相距的機械角度,Δt為相鄰兩次反電動勢過零的時間。

      定義轉(zhuǎn)速誤差e及其濾波誤差x:

      e=ω-ωd

      其中ωd為期望的電機轉(zhuǎn)速,將式(15)代入式(8)得到:

      其中d為未知負載擾動,輔助函數(shù)和定義如下:

      這里可假設(shè)之:d為連續(xù)可微信號,且對時間的二階導(dǎo)數(shù)有界,即

      d∈C2

      考慮電機的各項參數(shù)以及負載已知,為實現(xiàn)控制目標,設(shè)計控制輸入為:

      下面給出具體的實例:

      一、系統(tǒng)硬件連接及配置

      本發(fā)明的基于SMC的無人機電機控制方法采用基于嵌入式架構(gòu)的飛行控制結(jié)構(gòu),所搭建的實驗平臺包括四旋翼無人機本體、直流無刷電機(KV值為910)及其電子調(diào)速器、霍爾元件測速電路、遙控器等。其中四旋翼無人機搭載了飛行控制器,電子調(diào)速器搭載了嵌入式微處理器(該處理器采用ARM-M0的內(nèi)核)、三相全橋驅(qū)動電路以及采樣電路等。霍爾元件測速電路利用霍爾元件檢測電機轉(zhuǎn)速,測試控制器對電機的控制性能。該平臺可通過遙控器進行手動操作,控制飛行控制器的輸出信號,改變電機的期望轉(zhuǎn)速。

      二、電機控制實驗結(jié)果

      本實施例在上述實驗平臺上進行了多組電機實驗控制,由遙控器發(fā)送切換指令給飛行控制器,改變電機的輸入給定;由霍爾元件測速電路記錄電機的轉(zhuǎn)速值,進而分析SMC控制器對電機的控制性能。

      為了分析比較SMC的控制性能,實驗設(shè)計了標準PI控制器,并采集記錄兩種控制器作用下電機的轉(zhuǎn)速值,得到的數(shù)據(jù)曲線如圖3、4,其中,圖3為電機對期望轉(zhuǎn)速ωd的響應(yīng)曲線,圖4為突加負載擾動d,電機的轉(zhuǎn)速曲線。圖3(a)中,電機的控制器為標準PI,電機轉(zhuǎn)速在0.4s時穩(wěn)定到期望轉(zhuǎn)速附近,轉(zhuǎn)速波動明顯,幅度在±25n/min(轉(zhuǎn)速/每分鐘),出現(xiàn)較大的超調(diào)量;圖3(b)中采用SMC控制器,電機轉(zhuǎn)速在0.1s(秒)達到期望轉(zhuǎn)速,穩(wěn)定后轉(zhuǎn)速輕微波動,幅度在±15n/min沒有出現(xiàn)明顯的超調(diào)量,對比結(jié)果表明SMC控制器加快了電機的響應(yīng)速度,提高了對電機轉(zhuǎn)速的控制精度。圖4中,相同的負載擾動d,PI控制下,轉(zhuǎn)速下降最大值達到200n/min,從施加擾動到恢復(fù)給定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)約0.8s,SMC控制下,轉(zhuǎn)速下降最大值約為150n/min,而且施加擾動后0.15s,電機即恢復(fù)給定轉(zhuǎn)速。實驗結(jié)果表明,SMC具有更好的抗干擾能力,能夠有效地提高對電機的控制性能,進而為實現(xiàn)無人機的精確控制作好準備。

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