一种系留无人机的电机控制方法及存储介质和控制系统与流程

本发明属于电机控制领域，更具体地，涉及一种系留无人机的电机控制方法及存储介质和控制系统。

背景技术：

无人驾驶飞机简称“无人机”，是一种不载有操作人员的可以自主飞行或遥控飞行的飞行器。其具有结构简单新颖，制造成本较低，飞行性能良好的特点，近年来被广泛应用于军事侦察、通信保障、环境检测、安防监控等领域。但随着其应用范围越来越广，其缺点也逐渐凸显出来，即它的供电能力。它的电能通常来自于自身携带的锂电池，除了为飞行器提供动力外，还需要为机上其他设备供电，这极大地制约了无人机的工作时间和应用范围。基于此，在工业领域中便产生了系留无人机。它将无人机和系留综合缆绳结合起来，将地面的交流电转换为可供无人机长时间飞行的直流电，实现了无人机供电和无人机控制信号等的传输，极大地增长了飞行器的工作时间和传输带宽，提高了飞行器控制的可靠性。

因而在系留无人机中，电能通常由高压电缆或机载低压电池供电，然而无人机所用电机耐压一般都小于高压电缆的电压值。传统的系留无人机电机控制系统一般采用dc-dc降压模块与三相逆变器串联的方案，先将高压电缆的电压降压至电机可承受的电压范围内，然后通过三相逆变器产生三相交流电实现对无人机电机的稳定控制。该方案由于加入了前级降压模块，体积及重量通常较大，不能满足对体积重量敏感的无人机应用的要求。

技术实现要素：

本发明提供一种系留无人机的电机控制方法及存储介质和控制系统，用以解决现有系留无人机因采用高压电缆供电而设置降压模块导致系留无人机载荷大的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种系留无人机的电机控制方法，所述电机由高压电缆或低压电池通过逆变电路供电，所述逆变电路为二极管钳位型三电平逆变电路，并具体包括以下步骤：

步骤1、基于供电电压，判断所述电机的供电电源；

步骤2、当所述供电电源为高压电缆时，则基于空间矢量脉宽调制方法，控制所述二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管的开关，实现两电平输出至所述电机；当所述供电电源为低压电池时，则控制所述二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管的开关，实现三电平或两电平输出至所述电机。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种新型的用于系留无人机的三电平碳化硅电机控制方法，该方法采用二极管钳位型三电平逆变电路作为电机驱动的电路拓扑，并通过对控制算法进行创新和改进，当供电电源为高压电缆时，则基于空间矢量脉宽调制方法，控制二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管的开关，以实现两电平输出至电机；当供电电源为低压电池时，则控制二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管的开关，以实现三电平输出至电机。因此，本发明能够实现对输出电压幅值的变换，可以兼容高压电缆输入和低压电池输入，不需要任何额外的降压设备，便能实现电机驱动器两侧的电压变换与电机的稳定控制，能够解决现有的电机控制方法使得系留无人机载荷较大的问题。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1包括：

获取电压传感器采集的所述电机的供电电压，基于所述供电电压，判断所述电机的供电电源。

本发明的进一步有益效果是：供电电压采用电压传感器进行电压采集，方便可靠。

进一步，所述空间矢量脉宽调制方法划分为两电平输出空间矢量脉宽调制方法和三电平输出空间矢量脉宽调制方法；则所述步骤2包括：

当所述供电电源为高压电缆时，则采用所述两电平输出空间矢量脉宽调制方法，通过控制每相各开关管的开关，对空间矢量进行控制，实现两电平输出；当所述供电电源为低压电池时，则采用所述三电平输出空间矢量脉宽调制方法，通过控制每相各开关管的开关，对空间矢量进行控制，实现三电平输出或两电平输出。

本发明的进一步有益效果是：将空间矢量脉宽调制方法划分区域，方便对输出电压波形和幅值变换进行控制。

进一步，所述步骤2中，所述采用所述两电平输出空间矢量脉宽调制方法对空间矢量进行控制，具体为：

接收并基于电机运行参数，计算所需的电压矢量，通过控制每相各开关管的开关，调控各相之间的电平输出组合以及每种所述电平输出组合的时间长短，实现所述逆变电路对所述电压矢量的两电平输出。

本发明的进一步有益效果是：在高压电缆供电的工作模式下，该控制算法通过对高压电缆对应的空间电压矢量的调制区进行控制，实现电机驱动器的两电平输出，从而实现驱动器输入输出侧电压幅值的降压变换，并通过合理分配每种电平输出组合的时间，可以对电机进行稳定控制。

进一步，所述步骤2中，所述采用所述三电平输出空间矢量脉宽调制方法对空间矢量进行控制，具体为：

接收并基于电机运行参数，计算所需的电压矢量，通过控制每相各开关管的开关，调控各相之间的电平输出组合以及每种所述电平输出组合的时间长短，实现所述逆变电路对所述电压矢量的三电平输出或两电平输出。

本发明的进一步有益效果是：在低压电池供电的工作模式下，该控制算法通过对低压电池对应的空间电压矢量的调制区进行控制，可以实现电机控制器的全电压输出，从而提高电压利用率，并且通过合理分配每种电平输出组合的时间，实现对电机的稳定控制。

进一步，所述电机运行参数为电机转矩或电机转速。

本发明的进一步有益效果是：对电机转矩或电机转速指令实时计算，转换为空间矢量脉宽调制区域中的点(即电压矢量)，计算复杂度低。

进一步，所述二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管均为sic-mosfet。

本发明的进一步有益效果是：该控制方法引入sic-mosfet作为电机驱动器的开关管，具有高效率、小体积、低重量的优点，特别适用于系留无人机，在系留无人机电机控制系统领域具有很强的优势。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一种系留无人机的电机控制方法中的各步骤。

本发明还提供一种系留无人机的电机控制系统，用于系留无人机，包括电机驱动器、永磁同步电机和电压传感器，所述电机通过所述电机驱动器由高压电缆供电或低压电池供电，所述电机驱动器包括：二极管钳位型三电平逆变电路和处理器，所述处理器用于执行如上述任一种系留无人机的电机控制方法中的各步骤。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种新型的用于系留无人机的三电平碳化硅电机控制系统，该系统采用二极管钳位型三电平逆变电路作为电机驱动的电路拓扑，并通过对控制算法进行创新和改进，实现对输出电压幅值的变换，可以兼容高压电缆输入和低压电池输入，实现对电机的稳定控制

进一步，所述二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管均为sic-mosfet。

本发明的进一步有益效果是：该控制系统使用sic-mosfet作为电机驱动器的开关管，具有高效率、小体积、低重量的优点，特别适用于系留无人机，在系留无人机电机控制系统领域具有很强的优势。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种系留无人机的电机控制方法的流程框图；

图2为本发明实施例提供的二极管钳位型三电平逆变电路的示意图；

图3为本发明实施例提供的三电平逆变器空间矢量脉宽调制示意图；

图4为本发明实施例提供的系留无人机电机控制系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种系留无人机的电机控制方法100，如图1所示，用于系留无人机，电机由高压电缆或低压电池通过逆变电路供电，逆变电路为二极管钳位型三电平逆变电路，并具体包括以下步骤：

步骤110、基于供电电压，判断电机的供电电源；

步骤120、当供电电源为高压电缆时，则基于空间矢量脉宽调制方法，控制二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管的开关，实现两电平输出至电机；当供电电源为低压电池时，则控制二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管的开关，实现三电平输出至电机。

如图2所示，二极管钳位型三电平逆变电路，该电路直流母线端由两个电容进行分压，输出幅值相等的正负电压，其输出分为uvw三相，每相桥臂由四个开关管串联而成，其中中间两个开关管并联两个反向的二极管，两个二极管之间连接直流母线中性点，每相的输出端由四个开关管之间的中点引出。因此每相桥臂有三种输出状态，当上方的两个开关管开通、下方的两个开关管关断时，该相输出正电压，称为“p”状态，当中间的两个开关管开通、两侧的两个开关管关断时，该相输出中性点电压，称为“o”状态，当下方的两个开关管开通、上方的两个开关管关断时，该相输出负电压，称为“n”状态，因此该三相电路共有3³＝27个基本工作状态。通过27个工作状态，可有效实现两电平输出或三电平输出，保证系留无人机电机的稳定运行。

该方法采用二极管钳位型三电平逆变电路作为电机驱动的电路拓扑，并通过对控制算法进行创新和改进，当供电电源为高压电缆时，则基于空间矢量脉宽调制方法，控制二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管的开关，以实现两电平输出至所述电机；当供电电源为低压电池时，则控制二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管的开关，以实现三电平输出至电机，实现对输出电压幅值的变换，可以兼容高压电缆输入和低压电池输入，实现对电机的稳定控制。能够解决现有的电机控制系统复杂、体积及重量较大的问题。

优选的，步骤110包括：

获取电压传感器采集的电机的供电电压，基于供电电压，判断电机的供电电源。

供电电压采用电压传感器进行电压采集，方便可靠。

优选的，空间矢量脉宽调制方法划分为两电平输出空间矢量脉宽调制方法和三电平输出空间矢量脉宽调制方法；则步骤120包括：

当供电电源为高压电缆时，则采用两电平输出空间矢量脉宽调制方法，通过控制每相各开关管的开关，对空间矢量进行控制，实现两电平输出；当供电电源为低压电池时，则采用三电平输出空间矢量脉宽调制方法，通过控制每相各开关管的开关，对空间矢量进行控制，实现三电平输出或两电平输出。

优选的，步骤120中，采用两电平输出空间矢量脉宽调制方法对空间矢量进行控制，具体为：

接收并基于电机运行参数，计算所需的电压矢量，通过控制每相各开关管的开关，调控各相之间的电平输出组合以及每种电平输出组合的时间长短，实现逆变电路对所述电压矢量的两电平输出。

接收并基于电机运行参数，连续调控各相的电平输出组合，使得逆变电路为两电平输出，且每种电平输出组合的时间长短不同，实现连续的两电平输出。

优选的，步骤120中，采用三电平输出空间矢量脉宽调制方法对空间矢量进行控制，具体为：

接收并基于电机运行参数，计算所需的电压矢量，通过控制每相各开关管的开关，调控各相之间的电平输出组合以及每种电平输出组合的时间长短，实现逆变电路对电压矢量的三电平输出或两电平输出。

接收并基于电机运行参数，连续调控各相的电平输出组合，使得逆变电路为三电平输出，且每种电平输出组合的时间长短不同，实现连续的三电平输出。

如图3所示，三电平逆变器空间矢量脉宽调制区域，该区域由24个小三角形区域以及每个小三角形区域顶点上的基本工作状态(图中每个字母组合代表一个基本电压矢量)组成，图中外围的黑色小三角形构成的区域为低压电池供电对应的三电平输出空间矢量脉宽调制区，图中内部的灰色小三角形构成的区域为高压电缆供电对应的两电平输出空间矢量脉宽调制区。

图3中每一个基本电压矢量对应图2所述电路的一种基本工作状态(即电平输出组合，上述27个基本工作状态中一个)。当电机控制系统工作时，cpu(也即本方法各步骤的执行主体，处理器)将接收到的电机转矩或电机转速指令实时计算转换为空间矢量脉宽调制区域中的点(也即所需电压矢量)，该点将随电机旋转而围绕中心作圆周运动。当该点落于某一小三角形内时，(处理器)通过合理分配该小三角形顶点上的基本电压矢量的工作时间来达到该点(也即所需电压矢量)工作状态的等效，从而实现对电机状态的实时控制。

控制算法对虚拟调制区域进行限制。当工作在高压电缆供电模式下时，调制区域将被限制转换至内部的灰色小六边形区域内。在该区域内，一方面，每个基本工作状态中的三相只有op或on两种输出状态，另一方面，所有点(所需电压矢量)均通过任一小三角形的三个顶点上的基本空间矢量(基本工作状态)脉宽调制合成，因此输出的三相电压不会存在p状态与n状态同时出现的状态，输出电压为两电平状态且电压幅值为输入直流母线电压的一半，同时在该种工作模式下，仍然可以通过对等效的电压矢量长度和相位角进行可靠控制，实现对电机的稳定控制。

当电机控制系统工作在低压电池供电模式下时，虚拟调制区域将在所有调制区下运行，所有点(所需电压矢量)均通过其所在的各小三角形三个顶点上的基本空间矢量(基本工作状态)脉宽调制合成。在该模式下，输出电压为三电平状态且输出电压幅值可以达到全供电电压，在提高了直流母线电压利用率的同时可以对等效的电压矢量长度和相位角进行可靠控制，进而实现对电机的稳定控制。需要说明的是，三电平工作状态工作在全区域而不是仅外部区域，两电平工作状态仅在内部区域，三电平状态不仅有三电平波形还有两电平波形，两电平状态仅有两电平波形。这样分类是因为在两种工作状态下，更关注电压的幅值，所以只要存在三电平波形就称为三电平工作状态，而两电平状态必须仅含有两电平波形。

将空间矢量脉宽调制划分区域，方便控制。在高压电缆供电的工作模式下，该控制算法通过对其空间电压矢量的调制区进行控制，实现电机驱动器的两电平输出，从而实现驱动器输入输出侧电压幅值的降压变换，并可以对电机进行稳定控制。在低压电池供电的工作模式下，该控制算法通过对其空间电压矢量的调制区进行控制，可以实现电机控制器的全电压输出，从而提高电压利用率，对电机继续进行稳定控制。

优选的，二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管均为sic-mosfet。

sic-mosfet具有损耗小、开关速度快、耐压高等特点。该控制方法引入sic-mosfet作为电机驱动器的开关管，具有高效率、小体积、低重量的优点，特别适用于系留无人机，在系留无人机电机控制系统领域具有很强的优势。

实施例二

一种存储介质，存储介质中存储有指令，当计算机读取指令时，使所述计算机执行如上实施例一所述的任一种系留无人机的电机控制方法中的各步骤。相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

实施例三

一种系留无人机的电机控制系统200，如图4所示，用于系留无人机，包括电机驱动器、永磁同步电机和电压检测模块，所述电机通过所述电机驱动器由高压电缆供电或低压电池供电，所述电机驱动器包括：二极管钳位型三电平逆变电路和处理器，处理器用于执行如上实施例一所述的任一种系留无人机的电机控制方法中的各步骤。

需要说明的是，电压检测模块可为电压传感器，其与处理器通信连接。图4中的虚线框选部分即为用于系留无人机电机控制系统。

该系统采用二极管钳位型三电平逆变电路作为电机驱动的电路拓扑，并通过对控制算法进行创新和改进，实现对输出电压幅值的可控变换，可以兼容高压电缆输入和低压电池输入，实现对电机的稳定控制。

优选的，二极管钳位型三电平逆变电路中各开关管均为sic-mosfet。

该控制系统使用sic-mosfet作为电机驱动器的开关管，具有高效率、小体积、低重量的优点，特别适用于系留无人机，在系留无人机电机控制系统领域具有很强的优势。

本实施例的一种用于系留无人机的电机控制系统，适用于永磁同步电机驱动的由高压电缆或机上电池供电的系留无人机。采用二极管钳位型三电平逆变电路作为电机驱动器拓扑，控制算法利用空间矢量脉宽调制方法，通过控制空间矢量脉宽调制方法中的调制区，使逆变器可以在两电平电压输出或三电平电压输出的不同工作模式下进行切换，从而实现电机控制器两侧电压幅值的变换与否。在高压电缆供电模式下，二极管钳位型三电平逆变器工作在两电平电压输出，在实现高压电缆降压输出的同时实现永磁同步电机的稳定控制；当系留无人机由于故障或其他原因工作在低压电池供电模式时，二极管钳位型三电平逆变器工作在三电平电压输出模式，仍然可以对电机实现稳定的控制。因此，该系统可以在高压电缆供电与低压电池供电的模式下进行切换，且不需要任何额外的降压设备，便能实现电机驱动器两侧的电压变换与电机的稳定控制。此外，该电机控制系统的驱动器开关管采用sic-mosfet。传统的系留无人机电机控制系统一般采用dc-dc降压模块与dc-ac电机驱动器串联方案，体积大，效率低，而该发明提出的新型电机控制系统具有高效率、小体积、低重量的优点，在系留无人机应用中具有很强的适用性。

相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。