一种机载光电吊舱的电机控制方法与流程

本发明涉及机载光电吊舱控制，具体提供一种机载光电吊舱的电机控制方法。

背景技术：

1、目前，小型光电吊舱的主要动力来源以无刷电机为主，一种稳定可靠的电机驱动方式可以保证光电吊舱的平稳运行。foc控制作为无刷电机的主流控制方法，以其稳定高效的特点而出名。无感和有感控制是foc的两种主要分支。基于霍尔传感器或者编码器来获得电机转子位置从而准确控制电机力矩转速的方法是有感控制，准确高效是有感控制的优点，但无论是霍尔传感器还是编码器在增加成本的基础上，也会因为环境温度高低变化而使得传感器出现较大误差或者失灵的情况。而无感控制，可以同时避免以上的问题，得益于各类观测器的算法出现，无感控制可以通过对电流采样构造各类观测器来估计转子的位置，但无感控制需要通过高频注入等方法完成电机启动。同时低速运行时，观测器的效果并不好。而光电吊舱大部分工作状态都是需要在稳定状态下低速大力矩运行。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种机载光电吊舱的电机控制方法，基于无感foc控制方法驱动电机启动，在启动和低速运行阶段通过光电吊舱的姿态传感器数据解算获得光电吊舱的欧拉角，通过欧拉角计算光电吊舱中电机的实际角度，避免了传统无感启动方式必须采用高频注入的问题，保证了电机在启动和低速运行时的稳定性。

2、本发明提供的机载光电吊舱的电机控制方法，包括：

3、s1：在光电吊舱中电机的角速度为0时，通过解算更新光电吊舱的欧拉角，并将欧拉角转换为光电吊舱的实际角度，实际角度包括俯仰轴电机转子角度、滚转轴电机转子角度和偏航轴电机转子角度；

4、s2：给定光电吊舱的期望角度，将期望角度与实际角度作差获得角度误差，利用第一pid控制器根据角度误差计算获得光电吊舱的期望角速度；

5、通过机载陀螺仪获取光电吊舱的实际角速度，将期望角速度与实际角速度作差获得角速度误差，利用第二pid控制器根据角速度误差计算获得期望电流；

6、通过采样电阻获取光电吊舱中电机的三相电流，并将三相电流变换为与电机转子同步旋转的坐标系下的实际电流，将期望电流与实际电流作差获得电流误差，利用pi控制器根据电流误差计算获得期望电压；对期望电压进行反变换，得到静坐标下的电压，静坐标下的电压经svpwm调制解调获得三相电压，利用三相电压驱动光电吊舱的电机启动；

7、s3：在电机启动后，将三相电流变换为静坐标系下的电流，将静坐标系下的电流和电压作为滑膜观测器的输入，利用滑膜观测器获得电机转子的观测角度和观测角速度；

8、观测角速度小于或等于设定的角速度阈值时，通过s1的方式计算实际角度；

9、观测角速度大于设定的角速度阈值时，将观测角度作为实际角度，电机进入闭环控制阶段。

10、优选的，欧拉角包括光电吊舱的俯仰角、滚转角和偏航角，欧拉角的计算过程如下：

11、通过加速度计测量光电吊舱在地球坐标系下的角加速度；通过地磁计测量地球磁场在地球坐标系下的磁场强度；通过陀螺仪测量光电吊舱在地球坐标系下的角速度；

12、利用角加速度和磁场强度分量计算获得初始的欧拉角；

13、利用初始的欧拉角初始化四元数；

14、根据角加速度、磁场强度和角速度，通过更新四元数，并根据更新后的四元数解算当前时刻的欧拉角。

15、优选的，s1中，在光电吊舱启动阶段，电机的转速为0，则根据欧拉角将实际角度转换为：

16、；

17、其中，表示俯仰角，表示滚转角，表示偏航角，表示俯仰轴电机转子角度，表示滚转轴电机转子角度，表示偏航轴电机转子角度。

18、优选的，s2中，对期望电压进行反变换，得到静坐标下的电压的计算式如下：

19、；

20、其中，表示期望电压，表示静坐标下的电压，表示电机的电角度，在光电吊舱中电机的角速度为0时，，p表示电机的极对数。

21、优选的，s3中，将三相电流变换为静坐标系下的电流的计算式如下：

22、；

23、其中，表示静坐标系下的电流，表示通过采样电阻测得电机的三相电流。

24、优选的，滑膜观测器表示为：

25、；

26、其中，为滑膜观测器的电流观测值，表示观测角速度，表示电机的定子电阻，表示电机的直轴电感，表示电机的交轴电感，表示滑膜观测器估计的反电动势，，为符号函数，为滑膜增益。

27、优选的，将滑膜观测器与电机在静坐标系下的方程作差求解观测角速度，获得观测角速度和电机转子观测角度：

28、；

29、；

30、其中，表示电机的反电动势，为电机的磁通量；

31、电机运行时的电角度表示为：

32、；

33、其中，表示观测角度，表示设定的角速度阈值；

34、观测角度与电子转子观测角度的关系式如下：

35、；

36、其中，表示俯仰轴电机转子观测角度，表示滚转轴电机转子观测角度，表示偏航轴电机转子观测角度。

37、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

38、本发明提高了电机启动精度，通过姿态传感器数据进行姿态解算，获取吊舱当前的欧拉角信息，在电机启动和低速运行阶段利用姿态传感器数据获得了准确的电机转子的实际角度，避免了采用高频注入等传统无感启动方式带来的问题；此外，本发明避免了霍尔传感器或编码器的使用，减少了系统成本并降低了因环境变化导致的误差或失灵风险，同时采用无感控制，避免了在恶劣工作环境时，因霍尔传感器或编码器出现较大误差或者失灵导致电机运行故障。

39、本发明采用无感和有感结合的控制方式，在电机启动和低速运行阶段，通过姿态传感器数据确定实际角度；在电机的观测角速度达到角速度阈值，将观测角度作为实际角度，通过闭环控制策略对光电吊舱角度、角速度和电流进行精确控制；本发明通过姿态传感器和滑膜观测器互补融合的方法，在电机启动到闭环运行阶段获得置信度更高的转子信息，从而完成电机的闭环控制。

40、本发明的控制方法直接控制转矩，电机响应快，保证工作时转速平稳，大大提高了机载光电吊舱的稳定性和迅速跟踪能力。

41、本发明通过采用foc力矩控制技术对机载光电吊舱的无刷电机进行高效控制，foc力矩控制技术通过独立控制磁场和转矩，确保电机在任何工作点都能输出最大的力矩，同时精确控制电流，使得线圈电流主要贡献于有效的转矩产生，提升了电机的运行效率，减少了能量浪费，提升无人机整体续航时间。

技术特征：

1.一种机载光电吊舱的电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的机载光电吊舱的电机控制方法，其特征在于，所述欧拉角包括所述光电吊舱的俯仰角、滚转角和偏航角，所述欧拉角的计算过程如下：

3.如权利要求1所述的机载光电吊舱的电机控制方法，其特征在于，所述s1中，在光电吊舱中电机的角速度为0时，根据所述欧拉角将所述实际角度转换为：

4.如权利要求1所述的机载光电吊舱的电机控制方法，其特征在于，所述s2中，对所述期望电压进行反变换，得到静坐标下的电压的计算式如下：

5.如权利要求1所述的机载光电吊舱的电机控制方法，其特征在于，所述s3中，将所述三相电流变换为静坐标系下的电流的计算式如下：

6.如权利要求1所述的机载光电吊舱的电机控制方法，其特征在于，所述滑膜观测器表示为：

7.如权利要求6所述的机载光电吊舱的电机控制方法，其特征在于，将所述滑膜观测器与电机在静坐标系下的方程作差求解所述观测角速度，获得所述观测角速度和电机转子观测角度：

技术总结
本发明涉及机载光电吊舱控制技术领域，具体提供一种机载光电吊舱的电机控制方法，旨在提高小型光电吊舱使用的无刷电机的稳定性和运行效率，通过姿态传感器数据进行姿态解算，获取吊舱的欧拉角信息，并将其转换为电机的实际角度，从而在启动阶段避免了传统无感启动方式中所需的高频注入；在电机从启动到闭环运行阶段，通过滑膜观测器获得电机的观测角速度，当观测角速度大于设定的角速度阈值时，将观测角度作为实际角度进行闭环控制。本发明采用无感和有感结合的控制方式，在电机启动和低速运行阶段利用姿态传感器数据获得了准确的电机转子的实际角度，避免了在无感FOC控制中电机启动过程对高频注入的依赖。

技术研发人员：王帆,白越,裴信彪,乔正,许嘉慧,王东
受保护的技术使用者：长春长光博翔无人机有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23