一种制导飞行器舵机无感驱动矢量弱磁控制方法技术

本发明专利技术公开了一种制导飞行器舵机无感驱动矢量弱磁控制方法，使用了飞控计算机和舵机驱动控制系统，采取无位置传感器表贴式永磁同步电机矢量控制及弱磁方法，帮助飞行器在全速范围内无位置传感器驱动。为了更好的调整舵机在全速范围内稳定运转，使飞行器可以快速稳定飞行，在舵机零速阶段采用高频注入法启动电机，在低速和高速阶段采用扩展卡尔曼滤波状态观测器，精确计算转子位置和转速信息，并通过弱磁控制算法扩速满足飞行器速度要求，达到飞行器全速范围内无位置传感器驱动，节省了成本，提高了对制导飞行器飞行的稳定性和高速性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种制导飞行器舵机无感驱动矢量弱磁控制方法


[0001]本专利技术涉及制导飞行器
，具体地说，是一种制导飞行器舵机无感驱动矢量弱磁控制方法。

技术介绍

[0002]制导飞行器在实际发射与飞行过程中不同时间段里所需要的速度是不同的，速度的变化与波动都会对制导飞行器的舵机控制精度产生一定的影响，从而会间接影响到制导装置的制导效果。虽然人们在提高制导飞行器的制导精度方面采取了若干方法，也收到一定效果，但仍有提高的空间。这是因为传统的PID控制方法与多传感器反馈系统难以满足人们对高精度制导飞行器的控制需求，且在实际应用中很多偶然因素也最终会影响其对目标的精准制导。
[0003]根据现有技术，需要一种能对制导飞行器精确控制，还能稳定飞行的舵机弱磁驱动矢量控制的方法。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术提出一种制导飞行器舵机无感驱动矢量弱磁控制方法，该方法能对制导飞行器精确控制，能够精准、稳定的完成发射飞行。
[0005]为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种制导飞行器舵机无感驱动矢量弱磁控制方法，使用了飞控计算机和舵机驱动控制系统，整体结构由地面飞控系统、数据通信电路、飞控计算机、舵机驱动电路、GPS和地磁组件与舵机组成；其中舵机采用无位置传感器的表贴式永磁同步电机作为制导飞行器的驱动电机，飞控计算机和舵机驱动控制器采用DSP28335为核心控制芯片的控制架构：
[0007]为了更好的调整舵机在全速范围内稳定运转，使飞行器可以快速稳定飞行，在舵机零速阶段采用高频注入法启动电机，在低速和高速阶段采用扩展卡尔曼滤波状态观测器，精确计算转子位置和转速信息，并通过弱磁控制算法扩速满足飞行器速度要求，达到飞行器全速范围内无位置传感器驱动，节省了成本，提高了对制导飞行器飞行的稳定性和高速性；
[0008]其具体步骤如下：
[0009]S1：设计飞控计算机和舵机驱动控制器，搭建地面模拟飞行系统；
[0010]S2：在飞行器启动阶段，使用高频正弦波注入法，即在永磁同步电机的线圈里注入对称高频并且不会引起舵机转子转动的脉冲，确定dq轴坐标系下PMSM高频电压方程及电流表达式，使用带通滤除器除基频电流分量，以此得到电流信号并对电流信号进行调幅，使用低通滤波器提取电机转子位置估计误差角的低频信号；以此从高频响应的电流中解算出转子位置，通过矢量控制方法驱动舵机转动；
[0011]S3：在飞行器飞行阶段，飞控计算机通过GPS和地磁组合位姿探测系统不断接收实时姿态数据，通过飞行器气动数据数学模型与地磁/GPS融合算法对舵机输出控制信号，使
飞行器能在预定轨迹上稳定飞行；
[0012]S4：在舵机运转过程中，通过搭建扩展卡尔曼滤波状态观测器来估算电机的转子位置和转速信息反馈给飞控计算机，飞控计算机根据飞控系统设定的转速参数值通过PID算法控制舵机的转速，形成速度环；
[0013]S5：在舵机当前转速未达到飞控系统设定的飞行速度时，而当前舵机电压已达最大值，通过弱磁控制算法驱动舵机提速，以满足设定的飞行速度，缩短飞行时间。
[0014]采用上述设计，飞控计算机接收到地面飞控系统的发射指令后，传输启动控制命令到舵机控制器，通过高频正弦波注入法，在永磁同步电机的线圈里注入对称高频并且不会引起电机转子转动的脉冲，通过高频响应的电流中解算出转子位置，矢量控制无位置传感器永磁同步电机转动，启动飞行器。
[0015]作为本专利技术的一种优选方案，在步骤S1中，对制导飞行器舵机控制系统硬件设计，搭建地面模拟飞行系统，具体为：
[0016]S
‑
A1：设计飞控计算机电路；其中飞控计算机采用TI公司的TMS320F28335芯片，主要功能模块包括：RS422通信电路、RS232通信电路、A/D采集模块、电源模块、PWM触发模块、GPS组件模块和地磁组件模块；飞控计算机接收GPS组件和地磁组件组合位姿探测系统位姿信息和外部输入转速信号指令，通过控制算法发送指令到舵机驱动器；
[0017]S
‑
A2：设计舵机驱动电路以及通信电路，便于驱动舵机运转和接收飞控计算机转速指令，其中舵机驱动控制器，采用TI公司的TMS320F28335控制芯片，适用于电机控制，主要电路模块包括：光耦隔离电路、PWM电路、RS485电路、RS422电路，DSP的PWM信号处理器能够输出6个PWM信号，通过控制回路来对其进行光耦合，使其能够正常工作。
[0018]作为本专利技术的一种优选方案，在步骤S2中，确定dq轴系下PMSM高频电压方程及电流表达式，使用带通滤除器除基频电流分量，以此得到电流信号并对电流信号进行调幅，使用低通滤波器提取电机转子位置估计误差角的低频信号，使用高频正弦波注入法最主要的目的就是无感启动舵机转动，使飞行器启动飞行；具体为：
[0019]S
‑
B1：建立高频电压方程：
[0020][0021]其中，U
d
,U
q
和i
d
,i
q
分别是实际转速同步参考坐标系下的定子d,q轴高频电压和高频电流分量；L
d
,L
q
和Ri
d
,Ri
q
分别是高频激励下的d,q轴的定子电感和电阻压降；w
e
是角速度，ψ
f
是磁链；当正弦电压的频率增大时，电感阻抗随之增大，增大到足够高时，电阻阻抗与电感阻抗相比微乎其微，可省略掉；在电机零速或低速时，w
e
角速度很小，可省略掉；
[0022]S
‑
B2：定义转子位置误差式:
[0023][0024]其中，θ为实际转子位置角，为转子位置估算角；
[0025]S
‑
B3：在估计转速同步参考坐标系下，计算高频电压和电流信号的关系式：
[0026][0027]其中，分别是估计转速同步参考坐标系下的定子d,q轴高频电压和高频电流分量；
[0028]S
‑
B4：定义平均电感为：L
avg
＝(L
d
+L
q
)/2；半差电感为:L
dif
＝(L
d
‑
L
q
)/2；
[0029]S
‑
B5：在估计转速同步参考坐标系下的d轴上注入高频电压信号，注入的高频电压信号表达式如下：
[0030][0031]其中，U
in
为高频电压信号的幅值；
[0032]则：
[0033][0034]可以看出，如果d轴和q轴阻抗不相等，即L
dif
≠0，则在估计的同步旋转坐标系中，d轴和q轴高频电流分量的幅值都与转子位置估计误差角Δθ有关；当转子位置估计误差角Δθ＝0时，d轴高频电流与平均电感L
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制导飞行器舵机无感驱动矢量弱磁控制方法，其特征在于，使用了飞控计算机和舵机驱动控制系统，采取无位置传感器表贴式永磁同步电机矢量控制及弱磁方法，帮助飞行器在全速范围内无位置传感器驱动；为了更好的调整舵机在全速范围内稳定运转，使飞行器可以快速稳定飞行，在舵机零速阶段采用高频注入法启动电机，在低速和高速阶段采用扩展卡尔曼滤波状态观测器，精确计算转子位置和转速信息，并通过弱磁控制算法扩速满足飞行器速度要求，达到飞行器全速范围内无位置传感器驱动，节省了成本，提高了对制导飞行器飞行的稳定性和高速性；其具体步骤如下：S1：设计飞控计算机和舵机驱动控制器，搭建地面模拟飞行系统；S2：在飞行器启动阶段，使用高频正弦波注入法，即在永磁同步电机的线圈里注入对称高频并且不会引起舵机转子转动的脉冲，确定dq轴坐标系下PMSM高频电压方程及电流表达式，使用带通滤除器除基频电流分量，以此得到电流信号并对电流信号进行调幅，使用低通滤波器提取电机转子位置估计误差角的低频信号；以此从高频响应的电流中解算出转子位置，通过矢量控制方法驱动舵机转动；S3：在飞行器飞行阶段，飞控计算机通过GPS和地磁组合位姿探测系统不断接收实时姿态数据，通过飞行器气动数据数学模型与地磁/GPS融合算法对舵机输出控制信号，使飞行器能在预定轨迹上稳定飞行；S4：在舵机运转过程中，通过搭建扩展卡尔曼滤波状态观测器来估算电机的转子位置和转速信息反馈给飞控计算机，飞控计算机根据飞控系统设定的转速参数值通过PID算法控制舵机的转速，形成速度环；S5：在舵机当前转速未达到飞控系统设定的飞行速度时，而当前舵机电压已达最大值，通过弱磁控制算法驱动舵机提速，以满足设定的飞行速度。2.根据权利要求1所述的一种制导飞行器舵机无感驱动矢量弱磁控制方法，其特征在于，步骤S1中，设计飞控计算机电路和舵机驱动电路以及通信电路，搭建地面模拟飞行系统；其中飞控计算机采用TI公司的TMS320F28335芯片，主要功能模块包括：RS422通信电路、RS232通信电路、A/D采集模块、电源模块、PWM触发模块、GPS组件模块和地磁组件模块；飞控计算机接收GPS组件和地磁组件组合位姿探测系统位姿信息和外部输入转速信号指令，通过控制算法发送指令到舵机驱动器；其中舵机驱动控制器，采用TI公司的TMS320F28335控制芯片，适用于电机控制，主要电路模块包括：光耦隔离电路、PWM电路、RS485电路、RS422电路，DSP的PWM信号处理器能够输出6个PWM信号，通过控制回路来对其进行光耦合，使其能够正常工作。3.根据权利要求1所述的一种制导飞行器舵机无感驱动矢量弱磁控制方法，其特征在于，在步骤S2中，使用高频正弦波注入法最主要的目的就是无感启动舵机转动，使飞行器启动飞行；具体为：S
‑
B1：建立高频电压方程：
其中，U
d
,U
q
和i
d
,i
q
分别是实际转速同步参考坐标系下的定子d,q轴高频电压和高频电流分量；L
d
,L
q
和Ri
d
,Ri
q
分别是高频激励下的d,q轴的定子电感和电阻压降；w
e
是角速度，ψ
f
是磁链；当正弦电压的频率增大时，电感阻抗随之增大，增大到足够高时，电阻阻抗与电感阻抗相比微乎其微，可省略掉；在电机零速或低速时，w
e
角速度很小，可省略掉；S
‑
B2：定义转子位置误差式:其中，θ为实际转子位置角，为转子位置估算角；S
‑
B3：在估计转速同步参考坐标系下，计算高频电压和电流信号的关系式：其中，分别是估计转速同步参考坐标系下的定子d,q轴高频电压和高频电流分量；S
‑
B4：定义平均电感为：L
avg
＝(L
d
+L
q
)/2；半差电感为:L
dif
＝(L
d
‑
L
q
)/2；S
‑
B5：在估计转速同步参考坐标系下的d轴上注入高频电压信号，注入的高频电压信号表达式如下：其中，U
in
为高频电压信号的幅值；则：可以看出，如果d轴和q轴阻抗不相等，即L
dif
≠0，则在估计的同步旋转坐标系中，d轴和q轴高频电流分量的幅值都与转子位置估计误差角Δθ有关；当转子位置估计误差角Δθ＝0时，d轴高频电流与平均电感L
avg
有关，其不等于0，而q轴高频电流等于0，因此可以对q轴高频电流进行适当的信号处理后作为转子位置跟踪观...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴兰，邱念朝，欧阳奇，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：