用于微型扑翼飞行器双直流电机的无相位差控制系统的制作方法

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种用于微型扑翼飞行器双直流电机的无相位差控制系统。

背景技术：

1、飞行器飞行方式有固定翼、旋翼和扑翼三种飞行类型，其中扑翼飞行是自然界飞行生物采用的飞行方式，主要利用双翅的上下扑动同时产生升力和推力，其主要特点是将举升、悬停和推进功能基于一体，同时具有很强的机动性和灵活性，更适合于执行绕过障碍物等的飞行。对于小尺寸和低速飞行状态的飞行器，属于低雷诺数下飞行，扑翼产生的非定常升力比固定翼的定常升力大得多；从推力方面来看，扑翼推进效率比螺旋桨推进效率高。

2、近年来，随着材料科学和电子技术发展，微型扑翼飞行器的实用性大大增加。但微型扑翼飞行器目前但目前大多数微型扑翼飞行器都是采用单电机作为动力源，相较与单电机，采用双电机可以提供更大的升力，还可以通过控制两侧电机从而分别改变两边扑翼的扑动频率，提供额外的控制量便于扑翼飞行器的状态控制。但由于双电机分别为左右两个扑翼提供动力，由于电机个体件难免存在一定的差异，相同的电流输入，输出的转速会存在差异，导致两边扑翼的扑动频率和相位不同。因为扑翼上扑和下扑受到的气动力和力矩方向不同，左右扑翼扑动存在相位差会导致微型扑翼飞行器整体受到额外的气动力和力矩，使得飞行器变得不稳定和难以控制。这就需要对带动左右扑翼的两个电机进行位置一致性控制，保证左右扑翼扑动无相位差。

技术实现思路

1、本发明主要目的在于提供一种用于微型扑翼飞行器双直流电机的无相位差控制系统，旨在解决现有双电机驱动的微型扑翼飞行器的扑动机构在无控状态下，左右扑翼扑动存在相位差的问题。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于微型扑翼飞行器双直流电机的无相位差控制系统，包括：控制器模块、两组电机驱动模块以及两组传感器模块，两组电机驱动模块分别接收控制器模块产生的变脉冲信号，分别驱动左、右电机运行，左电机通过左扑动机构驱动左扑翼扑动，右电机通过右扑动机构驱动右扑翼扑动，控制器模块通过串口与外部设备通信，接收来自外部设备的指令，控制器模块包括mcu芯片，电机驱动模块包括场效应管，所述的传感器模块包括三轴霍尔传感器和磁铁，在左、右扑动机构的输出轴上均安装有一块电磁铁，分别通过两个三轴霍尔传感器采集左、右扑翼位置信息，所述的控制器模块与两个三轴霍尔传感器通过spi总线进行电信号连接，所述的mcu芯片运行有两个相互独立的左、右电机控制子程序，分别对应左、右电机的控制，左电机控制子程序能够设定通道一的pwm信号的占宽比，右电机控制子程序能够设定通道二的pwm信号的占宽比；其中，两个通道的pwm信号脉宽周期与控制周期相同；控制器模块根据串口接收到外部输入的扑动频率信息，根据扑翼飞行器输出的扑翼位置与电机角度间的函数关系，生成一条期望扑翼运动曲线，并将生成的期望扑翼运动曲线作为位置指令分别输入到左、右电机控制子程序中，同时所述的mcu芯片通过spi总线读取两个三轴霍尔传感器传输来的三轴磁场强度大小，进而得出三轴霍尔传感器处的磁场强度方向，从而获取对应的左、右扑翼的位置信息；所述的控制器模块根据扑翼位置与电机角度间的函数关系，得到电机的角度信息，通过电机角度增量除以控制周期得到电机转速，将获取的左、右扑翼位置信息和左、右电机转速信息作为反馈信号分别输入到左、右电机控制子程序中；左、右电机控制子程序根据输入的左、右扑翼位置信息和左、右电机转速信息，并于期望的运动曲线相对比，计算得出相应的pwm信号占宽比，并将pwm信号输入到电机驱动模块驱动电机以相应的转速旋转，从而带动左、右扑翼扑动，在扑翼扑动的过程中，固定在扑动机构的输出轴上的磁铁也跟随扑翼进行运动，此时，三轴霍尔传感器的磁场强度方向会因为磁铁的转动而改变，三轴霍尔传感器读取三轴磁场强度并在控制器模块需要的时候传输给控制器，从而完成一个控制周期。

3、本发明的有益效果及优点是：本发明能够通过三轴霍尔传感器反馈的左右扑翼位置信息进行电机控制，不仅能够对扑动频率进行准确控制，也能实现左右扑翼的无相位差扑动。同时本发明实现了双电机驱动的扑动机构左右扑翼扑动运动的一致性控制，并且直接采用三轴霍尔传感器进行扑翼位置信息采集，有效降低了主控制器的工作负担。

技术特征：

1.一种用于微型扑翼飞行器双直流电机的无相位差控制系统，包括：控制器模块、两组电机驱动模块以及两组传感器模块，两组电机驱动模块分别接收控制器模块产生的变脉冲信号，分别驱动左、右电机运行，左电机通过左扑动机构驱动左扑翼扑动，右电机通过右扑动机构驱动右扑翼扑动，控制器模块通过串口与外部设备通信，接收来自外部设备的指令，控制器模块包括mcu芯片，电机驱动模块包括场效应管，其特征在于：所述的传感器模块包括三轴霍尔传感器和磁铁，在左、右扑动机构的输出轴上均安装有一块电磁铁，分别通过两个三轴霍尔传感器采集左、右扑翼位置信息，所述的控制器模块与两个三轴霍尔传感器通过spi总线进行电信号连接，所述的mcu芯片运行有两个相互独立的左、右电机控制子程序，分别对应左、右电机的控制，左电机控制子程序能够设定通道一的pwm信号的占宽比，右电机控制子程序能够设定通道二的pwm信号的占宽比；其中，两个通道的pwm信号脉宽周期与控制周期相同；控制器模块根据串口接收到外部输入的扑动频率信息，根据扑翼飞行器输出的扑翼位置与电机角度间的函数关系，生成一条期望扑翼运动曲线，并将生成的期望扑翼运动曲线作为位置指令分别输入到左、右电机控制子程序中，同时所述的mcu芯片通过spi总线读取两个三轴霍尔传感器传输来的三轴磁场强度大小，进而得出三轴霍尔传感器处的磁场强度方向，从而获取对应的左、右扑翼的位置信息；根据扑翼位置与电机角度间的函数关系，得到电机的角度信息，通过电机角度增量除以控制周期得到电机转速，将获取的左、右扑翼位置信息和左、右电机转速信息作为反馈信号分别输入到左、右电机控制子程序中；左、右电机控制子程序根据输入的左、右扑翼位置信息和左、右电机转速信息，并于期望的运动曲线相对比，计算得出相应的pwm信号占宽比，并将pwm信号输入到电机驱动模块驱动电机以相应的转速旋转，从而带动左、右扑翼扑动，在扑翼扑动的过程中，固定在扑动机构的输出轴上的磁铁也跟随扑翼进行运动，此时，三轴霍尔传感器的磁场强度方向会因为磁铁的转动而改变，三轴霍尔传感器读取三轴磁场强度并在控制器模块需要的时候传输给控制器，从而完成一个控制周期。

技术总结本发明公开一种用于微型扑翼飞行器双直流电机的无相位差控制系统，涉及电机控制领域。包括控制器模块、两组电机驱动模块以及两组传感器模块，控制器模块采用MCU芯片，传感器模块采用三轴霍尔传感器和磁铁，三轴霍尔传感器测量位于扑动机构输出轴上磁铁的磁场强度数据，MCU芯片通过SPI总线读取三轴霍尔传感器中保存的磁场强度数据，MCU芯片通过磁场强度数据获取当前时刻扑翼的位置信息，并通过控制程序输出PWM信号，电机驱动模块根据PWM信号改变直流电机转速。本发明实现了左右扑翼相同频率下的无相位差扑动，本发明具有无接触测量和结构简单的优点。技术研发人员：蒋增䶮,许江涛,张源,侯思宇受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司哈尔滨空气动力研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/29