用于四旋翼无人机电机的滑模控制方法技术

本发明专利技术涉及一种直流无刷电机的非线性控制方法，为提出一种基于SMC(滑模鲁棒控制)的闭环BLDC(直流无刷电机)控制方法，提高电机的响应速度和抗干扰能力，实现对旋翼式无人机的精确控制。本发明专利技术采用的技术方案是，用于四旋翼无人机电机的滑模控制方法，建立四旋翼无人机的无刷直流电机的数学模型，通过采集电机的三相端电压值计算反电动势的过零点，实现对电机的无传感器驱动；由电机的换相时间获取转速信息，采用SMC控制器实现闭环调速控制。本发明专利技术主要应用于直流无刷电机设备的设计制造场合。

【技术实现步骤摘要】
用于四旋翼无人机电机的滑模控制方法
本专利技术涉及一种直流无刷电机的非线性控制方法，主要是涉及一种应用于四旋翼无人机直流无刷电机的控制。
技术介绍
近年来，对四旋翼无人机的控制研究已成为国内外学者的研究热点。四旋翼无人机是典型的欠驱动、强耦合的非线性系统，研究主要集中于采用非线性控制算法实现对无人机姿态和位置信息的精确控制，而对作为执行器的电机控制却少有专门的研究。电机能够快速准确地跟踪控制器的输出，以及有效地抗扰动性能也是实现四旋翼无人机精确控制的关键因素。阿拉巴马大学的研究人员使用滑模观测器观测系统中的未知扰动，并将四旋翼无人机飞行系统设计成多级闭环控制系统，采用非线性滑模控制器实现对无人机的控制。但是，这种控制策略忽略了电机扰动对系统稳定性的影响。(期刊：JournaloftheFranklinInstitute；著者：LenaickB，YuriB，BrianL，出版年月2012；文章题目：Quadrotorvehiclecontrolviaslidingmodecontrollerdrivenbyslidingmodedisturbanceobserver，页码：658-684)。瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员采用高精度的视觉传感器实现无人机的自主飞行控制，在无人机上安装立体成像摄像头，能够实时感知构建周围环境的3D模型，提高无人机对环境的自主适应能力，但是面对狭小空间时，无人机的精确位置控制尤为重要，需要电机良好的动态性能以及抗扰动能力。(会议：IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems；著者：FriedrichF，LionelH，DominikH，GimHL；出版年月：2012；文章题目：Vision-BasedAutonomousMappingandExplorationUsingaQuadrotorMAV，页码：4557-4564)。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种基于SMC(滑模鲁棒控制)的闭环BLDC(直流无刷电机)控制方法，提高电机的响应速度和抗干扰能力，实现对旋翼式无人机的精确控制。本专利技术采用的技术方案是，用于四旋翼无人机电机的滑模控制方法，建立四旋翼无人机的无刷直流电机的数学模型，通过采集电机的三相端电压值计算反电动势的过零点，实现对电机的无传感器驱动；由电机的换相时间获取转速信息，采用SMC控制器实现闭环调速控制。所述的建立无刷直流电机的数学模型具体步骤是：假设定子三相绕组的电阻值均相等，绕组自感和绕组之间互感均为常数，两者均与转子位置无关。La＝Lb＝Lc＝L1Lab＝Lba＝Lac＝Lca＝Lbc＝Lcb＝M式中：a,b,c代表定子三相绕组，La,Lb,Lc是定子相绕组的电感值H，Lab,Lba,Lac,Lca,Lbc,Lcb是定子相绕组的互感值H，则三相绕组的电压平衡方程为：式中：ua,ub,uc是定子相绕组相电压；ia,ib,ic是定子相绕组电流；是定子相电流值的导数，ea,eb,ec是定子相绕组反电动势；r1是定子相绕组的电阻；L1是每相绕组的自感；M是每两相绕组之间的互感，由于三相绕组为星形连接且没有中线，则有：ia+ib+ic＝0(2)得Mib+Mic＝-Mia(3)联立式(1)-(3)得到：进而可以得到三相端电压方程：式中：Ua,Ub,Uc是三相端电压；ug是中性点电压；对式(4)做进一步的化简可以得到相应的电压平衡方程式：式中：u为电机端电压；i为相电流；r2为线电阻；L2为线电感；Ke为反电动势系数；ω为电机角速度；机械运动平衡方程为：式中：Te为电磁转矩；Tl为负载转矩；J为转动惯量；B为阻尼系数；φ为每极磁通；Ct转矩常数；Kt为转矩系数；。由以上等式得到无刷直流电机的二阶微分方程:所述的通过采集电机的三相端电压值计算反电动势的过零点，实现对电机的无传感器驱动具体步骤是：以AB相导通、C相悬空为例说明如何计算反电动势过零点，此时满足：由式(5)得：代入式(9)，可得：由于C相悬空无电流，因而ic＝0，，再由式(5)得到：通过采集端电压信号，经过软件计算得到反电动势过零点，从而为电机运行提供正确的换相信号。所述的采用SMC控制器实现闭环调速控制方法具体步骤是：由于相邻的两次反电动势过零点对应转子转过的机械角度值可测且相等，得到：式(13)中：θ为相邻两块永磁体中性点相距的机械角度，Δt为相邻两次反电动势过零的时间。定义转速误差e及其滤波误差x：e＝ω-ωd(14)其中ωd为期望的电机转速，将式(15)代入式(8)得到：其中d为未知负载扰动，辅助函数和定义如下：这里可假设：d为连续可微信号，且对时间的二阶导数有界，即d∈C2(19)考虑电机的各项参数以及负载已知，为实现控制目标，设计控制输入为：将式(20)代入式可得：其中sgn(·)为如下分段函数：为了说明设计的能够使系统稳定，证明过程如下：选取Lyapunov函数V(t)为：对V(t)求关于时间t的导数并代入式(21)可得：当满足如下的充分条件时：Γ＞||d||∞(25)得到：说明设计的控制器能够让系统稳定。本专利技术的特点及有益效果是：本专利技术采用SMC控制器对电机进行闭环控制，实现电机转速对期望值的精确跟踪，相比于PI(比例微分)控制，减小了电机转速扰动对无人机控制的影响，提高了对无人机姿态和位置信息的控制精度。附图说明：图1是本专利技术的实验采集数据平台；图2是本专利技术采用的闭环控制结构框图；图3控制器跃阶响应曲线。图中，(a)是PI控制器的跃阶响应曲线；(b)是SMC控制器的跃阶响应曲线；图4是突加负载扰动，PI控制器和SMC控制器的稳态曲线；具体实施方式本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于SMC(滑模鲁棒控制)的闭环BLDC(直流无刷电机)控制方法，提高电机的响应速度和抗干扰能力，实现对旋翼式无人机的精确控制。本专利技术采用的技术方案是：建立四旋翼无人机的无刷直流电机的数学模型，通过采集电机的三相端电压值计算反电动势的过零点，实现对电机的无传感器驱动；由电机的换相时间获取转速信息，采用SMC控制器实现闭环调速控制。所述的建立无刷直流电机的数学模型是：假设定子三相绕组的电阻值均相等，绕组自感和绕组之间互感均为常数，两者均与转子位置无关。La＝Lb＝Lc＝L1Lab＝Lba＝Lac＝Lca＝Lbc＝Lcb＝M式中：La,Lb,Lc是定子相绕组的电感值(H)，Lab,Lba,Lac,Lca,Lbc,Lcb是定子相绕组的互感值(H)。则三相绕组的电压平衡方程为：式中：ua,ub,uc是定子相绕组相电压(V)；ia,ib,ic是定子相绕组电流(A)；是定子相电流值的导数，ea,eb,ec是定子相绕组反电动势(V)；r1是定子相绕组的电阻(Ω)；L1是每相绕组的自感(H)；M是每两相绕组之间的互感(H)。由于三相绕组为星形连接且没有中线，则有：ia+ib+ic＝0(2)可得Mib+Mic＝-Mia(3)联立式(1)-(3)得到：进而可以得到三相端电压方程：式中：Ua,Ub,Uc是三相端电压；ug是中性点电压。对式(4)做进一步的化简可以得到相应的电压平衡方程式：式中：u为电机端电压；i为相电流；r2为线电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于四旋翼无人机电机的滑模控制方法，其特征是，建立四旋翼无人机的无刷直流电机的数学模型，通过采集电机的三相端电压值计算反电动势的过零点，实现对电机的无传感器驱动；由电机的换相时间获取转速信息，采用SMC控制器实现闭环调速控制。

【技术特征摘要】
1.一种用于四旋翼无人机电机的滑模控制方法，其特征是，建立四旋翼无人机的无刷直流电机的数学模型，通过采集电机的三相端电压值计算反电动势的过零点，实现对电机的无传感器驱动；由电机的换相时间获取转速信息，采用SMC控制器实现闭环调速控制。2.如权利要求1所述的用于四旋翼无人机电机的滑模控制方法，其特征是，所述的建立无刷直流电机的数学模型具体步骤是：假设定子三相绕组的电阻值均相等，绕组自感和绕组之间互感均为常数，两者均与转子位置无关。La＝Lb＝Lc＝L1Lab＝Lba＝Lac＝Lca＝Lbc＝Lcb＝M式中：a,b,c代表定子三相绕组，La,Lb,Lc是定子相绕组的电感值H，Lab,Lba,Lac,Lca,Lbc,Lcb是定子相绕组的互感值H，则三相绕组的电压平衡方程为：式中：ua,ub,uc是定子相绕组相电压；ia,ib,ic是定子相绕组电流；是定子相电流值的导数，ea,eb,ec是定子相绕组反电动势；r1是定子相绕组的电阻；L1是每相绕组的自感；M是每两相绕组之间的互感，由于三相绕组为星形连接且没有中线，则有：ia+ib+ic＝0(2)得Mib+Mic＝-Mia(3)联立式(1)-(3)得到：进而可以得到三相端电压方程：式中：Ua,Ub,Uc是三相端电压；ug是中性点电压；对式(4)做进一步的化简可以得到相应的电压平衡方程式：u＝Keω+r2i+L2i(6)式中：u为电机端电压；i为相电流；r2为线电阻；L2为线电感；Ke为反电动势系数；ω为电机角速度；机械运动平衡方程为：式中：Te为电磁转矩；Tl为负载转矩；J为转动惯量；B为阻尼系数；φ为每极磁通；Ct转矩常数；Kt为转矩系数；。由以上等式得到无刷直流电机的二阶微分方程:3.如权利要求1所述的用于四旋翼无人机电机的滑模控制方法，其特征是，所述的通过采集电机的三相端电压值计算反电动势的过零点，实现对电机的无传感器驱动具体步骤是：以AB相导通、C相悬空为例说明如何计算反电动势过零点，此时满足：

【专利技术属性】
技术研发人员：鲜斌，查君浩，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12