一种旋翼无人机抗反转电气系统及其设计方法与流程

1.本发明属于飞行器动力系统技术领域，具体涉及一种旋翼无人机抗反转电气系统及其设计方法。


背景技术：

2.随着武器装备趋于体系化、智能化、集群化发展趋势，无人机以其小型化、低成本、便捷性等优势，广泛应用于军事和民用领域。相较于固定翼无人机，旋翼无人机具备空中定点悬停、长时滞空能力，可执行一些特定的任务，比如长时精准侦察、定点干扰、精确打击等。动力系统作为无人机核心部件，其性能直接影响无人机的航时、稳定性、可靠性等，电动力系统结构简单、有效载荷大、操纵响应快及环保等优势，广泛应用于小型无人机。旋翼作为电动力系统的核心输出部件，其需具备轻质化、高强度、高效率等性能，此外，针对执行某些特定任务时，旋翼无人机需要在空中大落速条件下快速起动，由于下落风速较大，旋翼极其容易被高速风吹转，并且桨叶会迅速反转到一个极高的转速，极高反转转速产生的大反电动势会击穿电调的功率管，导致旋翼电机无法正常空中起动。因此，旋翼无人机动力系统抗旋翼反转是本领域急需解决的关键问题。


技术实现要素：

3.针对旋翼无人机在空中大落速条件下旋翼被风吹反转问题，防止反电动势击穿电调的功率管而导致电机无法正常空中起动，本发明提供了一种旋翼无人机抗反转电气系统及其设计方法，主要在原有旋翼动力系统基础上，通过加装三相短路的电气装置，此装置独立受控于飞行控制系统，在旋翼无人机快速下落起动之前应用本发明的系统，旋翼电机会产生相当大的空载电流，此电流产生的大电磁转矩和高速风引起的负载达到平衡，从而阻止旋翼桨叶反向旋转进而烧坏电调，且可以为旋翼无人机的无位置(没有位置传感器)启动提供良好的启动环境。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下方法：
5.一种旋翼无人机抗反转电气系统，包括电源模块、无人机飞行控制系统、旋翼电机、电调模块，其特征在于还包括
6.短接电气装置，所述短接电气装置包括缓冲电路、供电电源、驱动电路和功率管，所述缓冲电路接收无人机飞行控制系统发送过来的开关信号，所述缓冲电路还用于驱动功率管，所述供电电源为驱动电路供电，所述驱动电路驱动功率管，功率管具体承受旋翼电机反转的电流；缓冲电路中有芯片其作用就是驱动功率管，具备驱动能力；
7.所述短接电气装置通过开关电路连接所述旋翼电机，当其通过所述缓冲电路接收到无人机飞行控制系统发送过来的开信号时，所述短接电气装置与所述旋翼电机三相短接，进入工作状态；当其通过所述缓冲电路接收到无人机飞行控制系统发送过来的关信号时，所述短接电气装置与所述旋翼电机三相断开，使旋翼电机正常受电调控制；
8.所述电源模块为电调模块供电；
9.所述无人机飞行控制系统设置有两个独立的通讯接口，分别与电调模块和短接电气装置通讯连接；
10.所述电调模块通过无人机飞行控制系统发送过来的控制信号对所述旋翼电机进行控制。
11.进一步地，所述旋翼电机、短接电气装置、电调模块、也相应的均为n个，n取不为0的自然数；所述一个短接电气装置、一个电调模块分别和一个旋翼电机连接。
12.进一步地，所述旋翼电机接口采用转化开关分流成两路，其中一路与电调模块相连，另一路与短接电气装置相连。
13.进一步地，所述短接电气装置采用集成化设计，将n个短接模块集成封装于同一pcb中，能够同时短接n个电机。
14.本发明还提供一种旋翼无人机抗反转电气系统设计方法，包括如下步骤：
15.根据实际应用场景下旋翼无人机下落的最大风速，结合旋翼桨叶气动性能参数，确定旋翼反转负载转矩te，或直接通过旋翼风洞测试旋翼下落最大风速的反转负载转矩te；
16.根据转矩公式计算得到所需的额定电流iq大小，公式如下：
[0017][0018]
根据电机的相电阻r和管压降计算额定的所需电压ue，公式如下：
[0019]
ue＝i
qr[0020]
根据所需的反电势ue和磁链参数ψf计算得到转速w，公式如下：
[0021][0022]
根据反电势ue和电流iq大小选择功率管的耐压电压和电流参数，进行短接电气装置的电路设计；
[0023]
根据上述设计结果进行短接电气装置生产，并完成旋翼无人机抗反转电气系统的安装，进一步完成飞行控制系统、旋翼电机联调测试。
[0024]
本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0025]
解决了旋翼无人机在大落速条件下旋翼桨叶反转问题，可实现旋翼无人机在空中大落速条件下快速可靠起动能力，利用独立短接电气装置和独立控制模式，不仅解决了控制耦合问题，实现了方案设计的简洁性，而且不改进原有动力系统整体结构和控制模式，此外，此设计方法具备很强的工程应用价值，可实现在原有动力系统电调算法未知情况下的旋翼抗反转设计，一般电调算法作为核心技术不予公开，因此绕过了此技术壁垒。
附图说明
[0026]
图1为本发明系统的短接电气装置与无人机动力系统(含1-电源模块、2-无人机飞行控制系统、21-控制信号、3-旋翼电机、4-电调模块、5-短接电气装置)的连接示意框图，图中有四个旋翼电机-电机1、2、3、和4，有四个电调模块-电调1、2、3、和4；
[0027]
图2为本发明系统的短接电气装置电路连接图；
[0028]
图3为本发明系统控制对象旋翼电机的正方向图；
[0029]
其中：图1中q、d代表坐标轴，w是角速度(转速)；q轴电流是有效转矩电流，d轴电流
不是有效转矩电流，31-旋翼电机的线圈；
[0030]
图2中有四个短接电气装置分别通过开关电路连接四个旋翼电机，51-缓冲电路、52-供电电源、53-驱动电路、54-功率管；
[0031]
图3中无人机动力系统包括1-电源模块、2-无人机飞行控制系统、21-控制信号、3-旋翼电机、4-电调模块、5-短接电气装置，图中有四个旋翼电机-电机1、2、3、和4，有四个电调模块-电调1、2、3、和4。
具体实施方式
[0032]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
[0033]
下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细说明。以下实施例仅是说明性的，并不构成对本发明的限制。
[0034]
本实施例的一种旋翼无人机抗反转电气系统，如图1所示，包括电源模块、无人机飞行控制系统、旋翼电机、电调模块，还包括
[0035]
短接电气装置，如图2所示，短接电气装置包括缓冲电路、供电电源、驱动电路和功率管，缓冲电路接收无人机飞行控制系统发送过来的开关信号，所述缓冲电路还用于驱动功率管，供电电源为驱动电路供电，驱动电路驱动功率管，功率管具体承受旋翼电机反转的电流；缓冲电路中有芯片其作用就是驱动功率管，具备驱动能力；
[0036]
短接电气装置通过开关电路连接所述旋翼电机，当其通过所述缓冲电路接收到无人机飞行控制系统发送过来的开信号时，所述短接电气装置与所述旋翼电机三相短接，进入工作状态；当其通过所述缓冲电路接收到无人机飞行控制系统发送过来的关信号时，所述短接电气装置与所述旋翼电机三相断开，使旋翼电机正常受电调控制；
[0037]
电源模块为电调模块供电；
[0038]
无人机飞行控制系统设置有两个独立的通讯接口，分别与电调模块和短接电气装置通讯连接；
[0039]
电调模块通过无人机飞行控制系统发送过来的控制信号对所述旋翼电机进行控制。
[0040]
短接电气装置控制方式是通过信号线接入无人机飞行控制系统预留接口，与电调模块原有的控制接口不共用，由飞行控制系统直接独立控制短接电气装置，进而控制旋翼电机的短接，利用短接的特性达到旋翼桨叶抗反转的目的。
[0041]
所述在旋翼无人机大落速快速下降且未起动阶段，无人机飞行控制系统通过发送指令(高电平)给短接电气装置，使其导通(电路闭合)，实现电机的短接；在需要起动时刻，无人机飞行控制系统发送指令(低电平)使短接电气装置关闭(电路断开)，并快速切换控制模式，回归正常控制电调模式。
[0042]
旋翼电机、短接电气装置、电调模块、也相应的均为n个，n取不为0的自然数；所述一个短接电气装置、一个电调模块分别和一个旋翼电机连接。短接电气装置可应用在原有动力系统难以改进的条件下设计的独立短接控制方案，本实施例应用于四旋翼无人机，可
拓展到三旋翼、六旋翼、八旋翼等旋翼无人机。
[0043]
短接电气装置控制的对象旋翼电机是永磁同步电机，其电机示意图见附图3。
[0044]
旋翼电机接口采用转化开关分流成两路，其中一路与电调模块相连，另一路与短接电气装置相连。
[0045]
短接电气装置采用集成化设计，将n个短接模块集成封装于同一pcb中，能够同时短接n个电机。本实施例n＝4。
[0046]
本发明的系统的工作原理：当旋翼电机处于发电状态时，发电机通过三相短接产生很大的电流，进而产生很大的电磁转矩，达到负载电磁平衡。短接装置的工作模式主要是导通和关闭。导通也就是全部打开使三相短接，关闭是断开电路取消三相短接功能，使动力系统正常受电调控制。
[0047]
本实施例还提供一种旋翼无人机抗反转电气系统设计方法，包括如下步骤：
[0048]
根据实际应用场景下旋翼无人机下落的最大风速，结合旋翼桨叶气动性能参数，确定旋翼反转负载转矩te，或直接通过旋翼风洞测试旋翼下落最大风速的反转负载转矩te；
[0049]
根据转矩公式计算得到所需的额定电流iq大小，公式如下：
[0050][0051]
根据电机的相电阻r和管压降计算额定的所需电压ue，公式如下：
[0052]
ue＝i
qr[0053]
根据所需的反电势ue和磁链参数ψf计算得到转速w，公式如下：
[0054][0055]
根据反电势ue和电流iq大小选择功率管的耐压电压和电流参数，进行短接电气装置的电路设计；
[0056]
根据上述设计结果进行短接电气装置生产，并完成旋翼无人机抗反转电气系统的安装，进一步完成飞行控制系统、旋翼电机联调测试。

技术特征：
1.一种旋翼无人机抗反转电气系统，包括电源模块、无人机飞行控制系统、旋翼电机、电调模块，其特征在于还包括短接电气装置，所述短接电气装置包括缓冲电路、供电电源、驱动电路和功率管，所述缓冲电路接收无人机飞行控制系统发送过来的开关信号，所述缓冲电路还用于驱动功率管，所述供电电源为驱动电路供电，所述驱动电路驱动功率管，功率管具体承受旋翼电机反转的电流；所述短接电气装置通过开关电路连接所述旋翼电机，当其通过所述缓冲电路接收到无人机飞行控制系统发送过来的开信号时，所述短接电气装置与所述旋翼电机三相短接，进入工作状态；当其通过所述缓冲电路接收到无人机飞行控制系统发送过来的关信号时，所述短接电气装置与所述旋翼电机三相断开，使旋翼电机正常受电调控制；所述电源模块为电调模块供电；所述无人机飞行控制系统设置有两个独立的通讯接口，分别与电调模块和短接电气装置通讯连接；所述电调模块通过无人机飞行控制系统发送过来的控制信号对所述旋翼电机进行控制。2.根据权利要求1所述的旋翼无人机抗反转电气系统，其特征在于所述旋翼电机、短接电气装置、电调模块、也相应的均为n个，n取不为0的自然数；所述一个短接电气装置、一个电调模块分别和一个旋翼电机连接。3.根据权利要求2所述的旋翼无人机抗反转电气系统，其特征在于所述旋翼电机接口采用转化开关分流成两路，其中一路与电调模块相连，另一路与短接电气装置相连。4.根据权利要求1-3中任一项所述的旋翼无人机抗反转电气系统，其特征在于所述短接电气装置采用集成化设计，将n个短接模块集成封装于同一pcb中，能够同时短接n个电机。5.一种旋翼无人机抗反转电气系统设计方法，其特征在于包括如下步骤：根据实际应用场景下旋翼无人机下落的最大风速，结合旋翼桨叶气动性能参数，确定旋翼反转负载转矩t
e
，或直接通过旋翼风洞测试旋翼下落最大风速的反转负载转矩t
e
；根据转矩公式计算得到所需的额定电流i
q
大小，公式如下：根据电机的相电阻r和管压降计算额定的所需电压u
e
，公式如下：u
e
＝i
q
r根据所需的反电势u
e
和磁链参数ψ
f
计算得到转速w，公式如下：根据反电势u
e
和电流i
q
大小选择功率管的耐压电压和电流参数，进行短接电气装置的电路设计；根据上述设计结果进行短接电气装置生产，并完成旋翼无人机抗反转电气系统的安装，进一步完成飞行控制系统、旋翼电机联调测试。

技术总结
本发明公开了一种旋翼无人机抗反转电气系统，包括电源模块、无人机飞行控制系统、旋翼电机、电调模块、短接电气装置，短接电气装置包括缓冲电路、供电电源、驱动电路和功率管，缓冲电路接收无人机飞行控制系统发送过来的开关信号，缓冲电路还用于驱动功率管，供电电源为驱动电路供电，驱动电路驱动功率管，功率管具体承受旋翼电机反转的电流；缓冲电路中有芯片其作用就是驱动功率管，具备驱动能力。本发明解决了旋翼无人机在大落速条件下旋翼桨叶反转问题，可实现旋翼无人机在空中大落速条件下快速可靠起动能力。快速可靠起动能力。快速可靠起动能力。


技术研发人员：裴家涛 黄晓龙 李康伟 刘青 刘亮 韩磊 付中乐 许铠通
受保护的技术使用者：湖北航天飞行器研究所
技术研发日：2022.12.31
技术公布日：2023/5/4