CN107677959A - 无人机感应电机综合测试台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机测试技术领域，公开了一种无人机感应电机综合测试台及测试方法。无人机感应电机综合测试台，包括实验台、电压电流检测模块、转矩传感器、转速传感器、微控制器、电机驱动模块、拉力传感器和上位机。控制微控制器向每一电机驱动模块输出PWM信号。各传感器和测量模块检测各物理量并将检测值传送给上位机。上位机根据数据进行计算，并通过图表形式展示结果。为了减少对拉力传感器测量过程的干扰，本发明采用了滑轨设计来减少拉动摩擦力。本发明仿真模拟了无人机电机的外部电路和内部控制信号，能够贴合无人机电机的特点进行实验，实验数据适用范围广，准确率高，上位机自主完成计算过程，更加节省时间，实验结果更加可靠。

Description

无人机感应电机综合测试台及测试方法

技术领域

本发明涉及电机测试技术领域，尤其涉及了一种无人机感应电机综合测试台及测试方法的设计。

背景技术

近几年来随着微电子、导航、控制和通信等方面的发展，同时推动了无人机行业的发展。无人机用途极为广泛，不仅在民用方面给普通群众带来便利，在未来的军队构建上也会出现军用无人机的身影，因此设计一种专门用于测试无人机电机的实验台十分有实用价值。现有的电机测试技术中，大多是针对于市面常见的电机，虽然可以用于测试无人机电机，但是由于现有技术中没有办法测试无人机电机与螺旋桨连接之后的输出特性，测试结果具有局限性。另外，无人机电机的测试过程中要考虑到不同的飞行模式下各个螺旋桨产生的空气动力学拉力，并由此得到有微控制器输出的多路PWM信号。在无人机电机测试过程中，需要得到实验数据和计算过程与市面上的电机测试技术存在差异，直接使用现有技术进行测试会造成可用数据少、测试结果不准确以及实验资源浪费的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中无法根据无人机电机特点进行测量的缺点，提供了一种无人机感应电机综合测试台及测试方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

无人机感应电机综合测试台，包括实验台、微控制器、上位机和至少6个的电机测试组；每组电机测试组包括电机安装座、电压电流检测模块、转矩传感器、转速传感器和电机驱动模块；电机安装座用于安装待测电机；待测电机分别与转速传感器、转矩传感器和电机驱动模块连接，电机驱动模块与电压电流检测模块电连接，电压电流检测模块与交流稳压电源电连接；上位机与微控制器电连接，上位机向微控制器传送控制指令；微控制器与每组电机驱动模块电连接，微控制器接收控制指令且分别向每组的电机驱动模块输出PWM信号；上位机与每组的电压电流检测模块、转矩传感器和转速传感器电连接；转矩传感器测量待测电机转矩且将测量值传送给上位机；转速传感器测量待测电机转速且将测量值传送给上位机；电压电流检测模块测量输入待测电机的电压和电流且将测量值传送给上位机。

测试台充分模拟了无人机电机在无人机中的电路连接的信号流向，能够准确地测得电机的运行状态。电机测试组为要进行测试的无人机电机提供位置，同时安置相应的传感设备和连接导线。市面上的无人机具有多种类型，其中有螺旋桨上下对称设置的型号，也有只在无人机主体上端设置螺旋桨的型号，考虑到基础类型的无人机的螺旋桨数量，6组电机测试组能够满足大多数测试要求。由于市面上已经出现了螺旋桨数量更多的无人机，因此也可以连接更多的电机测试组进行测试。

作为优选，每组电机测试组还包括拉力传感器和滑轨，电机安装座通过滑轨与实验台上端面连接，电机安装座一端通过金属绳与单独的拉力传感器一端连接，拉力传感器另一端固定在实验台上，拉力传感器与上位机电连接。考虑到无人机最大的特点是飞行，测试台上设有拉力传感器，用于测量电机带动螺旋桨转动产生的空气动力学拉力。而为了减少对拉力传感器测量过程的干扰，采用了滑轨设计来减少拉动电机安装座时的摩擦力。

作为优选，每组电机测试组还包括无人机螺旋桨，无人机螺旋桨通过联轴器与转矩传感器连接。针对无人机电机，只测量电机的输出特性并不够，还需要考虑到当螺旋桨和待测电机同轴连接后的输出特性。

根据本发明提供的无人机感应电机综合测试台，提供了一种无人机感应电机测试方法，包括以下步骤：

在上位机上输入要进行测试的无人机螺旋桨个数n、空气密度ρ、螺旋桨拉力系数C_t、第i个螺旋桨面积S_i、第i个螺旋桨叶片长度R_i(i＝1、…、n)、无人机总质量和要测试的飞行模式；

上位机计算该飞行模式下无人机每个螺旋桨的理论空气动力学拉力F_i，根据F_i＝ρ·C_t·S_i·(ω_i·R_i)²计算得到第i个螺旋桨的理论旋转角速度ω_i；

选择n个电机测试组，将n个与螺旋桨对应的待测电机安装在n个电机测试组的电机安装座上，每一待测电机与单独的转速传感器、转矩传感器和电机驱动模块连接；

上位机向微控制器输送指令，微控制器输出n路PWM信号控制所有待测电机运行；

待测电机达到稳定运行时，上位机接收每个电机测试组的电压电流检测模块、转矩传感器和转速传感器的测量值，计算每一电机的输入功率P_1i，P_1i＝U_1i·I_1i，其中，U_1i为测得的电压值，I_1i为测得的电流值；上位机计算每一电机的输出功率P_2i和实际效率η_1i，其中，ω_1i为测得的转速值，T_1i为测得的转矩值，

使用者可以同时进行多台电机的测试，也可以只测试一台，测试时在所有电机测试组里选择n组安装n台待测电机和螺旋桨来进行测试。测试无人机电机与测试普通电机不同，要考虑到无人机本身的特性，尤其是要产生足够的空气动力学拉力所需要达到的电机转速。在无人机中，微控制器根据环境变量，例如气压和气温，以及接收到的来自地面的遥控信号，输出相应的PWM信号来控制每一电机的运转。在本发明中，检测环境变量和接收遥控信号的部分都由上位机向微控制器传送数据来进行模拟，从而实现在室内测试不同情况下的电机输出特性。

作为优选，还包括以下步骤：

将螺旋桨作为待测电机的输出负载，通过联轴器将螺旋桨与转矩传感器连接；

滑动电机安装座，在金属绳绷直且拉力传感器测量值为零时运行待测电机；

电机达到稳定运行时，上位机接收每个电机测试组的拉力传感器、电压电流检测模块、转矩传感器和转速传感器的测量值，计算每一电机的输入功率P_3i， P_3i＝U_2i·I_2i，其中，U_2i为测得的电压值，I_2i为测得的电流值；上位机计算每一电机的输出功率P_4i和实际效率η_2i，其中，ω_2i为测得的转速值， T_2i为测得的转矩值，

针对螺旋桨这一特殊的负载，本发明能够测试电机在与螺旋桨同轴连接后的输出特性。

作为优选，还包括以下步骤：

在上位机上选择不同的飞行模式进行实验，上位机通过表格形式展示不同模式下所有测量数据和得到的计算结果；

上位机根据不同飞行模式下的各项测量值和计算结果，生成每一电机的 P_2i-T_1i特性曲线图、η_1i-T_1i特性曲线图、P_4i-T_2i特性曲线图、η_2i-T_2i特性曲线图、不同飞行模式下ω_i、ω_1i和ω_2i的柱状图和不同模式下F_i和F_1i的柱状图，其中F_1i为拉力传感器测量值。

在不同的飞行模式下，每一电机需要输出的转速不同，为了采集到所有飞行状态下无人机电机的输出特性，需要通过上位机控制所有待测电机进行不同飞行模式下的多次实验，确保数据的准确性。采集到的数据通过图表进行展示，实验结果更加直观，实验者更容易得到结论。

作为优选，上位机中可选择的飞行模式包括悬停、上升、下降、前进、后退、左移和右移。上位机中包括了所有无人机的基础飞行动作，并根据选择的飞行模式输出不同的信号，完全模拟了无人机正常工作过程。

按本发明技术方案利用了实验台和电机安装座，无人机电机安装在电机安装座上，实验台为螺旋桨预留了空间，能够在电机与螺旋桨同轴连接后进行测试。又利用了滑轨和拉力传感器，在螺旋桨转动时，产生的空气动力学拉力拉动电机安装座，并且通过拉力传感器测量拉力大小。另外实验台上的电子器件尽量还原了无人机电机在无人机中的电路连接和信号传递过程，上位机根据无人机的在运行时的状态，预设了控制命令和计算过程，大大减少了人力的操作和计算，避免了测量和计算的错误。

同时,本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：仿真模拟了无人机电机的外部电路和内部控制信号，能够贴合无人机电机的特点进行实验，能够对螺旋桨对电机输出的影响进行测量，能够仿真模拟不同条件下的无人机电机的运行状态。实验数据适用范围广，准确率高，上位机自主完成计算过程，节省研究员的时间和精力，实验结果更加可靠。

附图说明

图1是本发明实施例1的电机测试组结构示意图。

图2是本发明电路模块结构示意图。

图3是本发明测试方法流程图。

以上附图中各数字标号所指代的部位名称如下：其中，1—实验台、2—上位机、3—电机安装座、4—拉力传感器、5—滑轨、6—金属绳。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，无人机感应电机综合测试台，包括实验台1、上位机2和电机测试组；每个电机测试组中有用于安装待测电机的电机安装座3。待测电机与转速传感器和转矩传感器连接。还包括拉力传感器4和滑轨5，电机安装座3通过滑轨5与实验台1上端面连接，电机安装座3一端连接有单独的金属绳6，每一金属绳6与单独的拉力传感器4一端连接，拉力传感器4另一端固定在实验台1 上，拉力传感器4与上位机2电连接。还包括无人机螺旋桨，无人机螺旋桨通过联轴器与转矩传感器连接。

如图2所示，每个电机测试组中待测电机连接转速传感器、转矩传感器和电机驱动模块，电机驱动模块与电压电流检测模块电连接，电压电流检测模块与交流稳压电源电连接。上位机2与微控制器电连接，上位机2向微控制器传送控制指令；微控制器与所有电机驱动模块电连接，微控制器接收控制指令且分别向每一电机驱动模块输出PWM信号。上位机2与电压电流检测模块、转矩传感器和转速传感器电连接；转矩传感器测量待测电机转矩且将测量值传送给上位机2；转速传感器测量待测电机转速且将测量值传送给上位机2；电压电流检测模块测量输入待测电机的电压和电流且将测量值传送给上位机2。拉力传感器4与上位机2电连接。拉力传感器测量螺旋桨产生的拉力且将测量值传送给上位机2。

如图3所示，首先先在上位机2上输入测试需要的数据并选择要测试的飞行模式，输入的数据种类包括无人机螺旋桨个数n、空气密度ρ、螺旋桨拉力系数C_t、第i个螺旋桨面积S_i、第i个螺旋桨叶片长度R_i(i＝1、…、n)和无人机总质量，可选择的飞行模式包括悬停、上升、下降、前进、后退、左移和右移。

接着，将n个与螺旋桨对应的待测电机安装在电机安装座3上，待测电机与单独的转速传感器、转矩传感器和电机驱动模块电连接。通过上位机2向微控制器传输控制指令。待测电机运行时，上位机2接收电压电流检测模块、转矩传感器和转速传感器的测量值，上位机2显示接收到的数据和相应的计算结果。

然后，切断待测电机电源后将螺旋桨作为对应的待测电机的输出负载，通过联轴器将螺旋桨与转矩传感器连接。滑动电机安装座3，在金属绳6绷直且拉力传感器4测量值为零时运行待测电机。待测电机运行时，上位机2接收拉力传感器、电压电流检测模块、转矩传感器和转速传感器的测量值，上位机2显示接收到的数据和相应的计算结果。

最后，在上位机2上选择不同的飞行模式进行多次实验，得到所有测量的数据并计算结果，上位机2生成图表对实验结果进行展示。

本实施例中，测试一种上下对称设置螺旋桨的无人机，要对6个无人机电机进行测试。使用者先在上位机2上输入n＝6，当前的空气密度为1.185kg/m³，根据螺旋桨的迎角查表得到的拉力系数为0.6，螺旋桨面积40cm²，叶片长度 12cm，无人机质量240g，飞行模式悬停。上位机能够计算得到每个螺旋桨的理论旋转角速度。理论上此时6个螺旋桨产生的上升力和产生相反的力之间差值为无人机的重量，根据这个值可以得到两种螺旋桨的转速差值约138r/min。再根据平时使用中无人机较为稳定的转速数据，能够得到最佳转速，上位机根据此数值向微控制器下达控制指令。

测试电机时，微控制器控制电机运转，检测每个电机的转速、转矩和电压电流。上位机计算电机的输入功率、输出功率和效率。然后连接螺旋桨，滑动电机安装座3来进行测试。检测每个电机的转速、转矩、电压电流和产生的拉力。上位机计算电机的输入功率、输出功率和效率，并且计算各个螺旋桨产生的拉力的差值是否符合先前的计算结果。

实施例2

本实施例中测试一种只在无人机主体上端设置有4个螺旋桨的无人机。使用者先在上位机2上输入n＝4，当前的空气密度为1.185kg/m³，根据螺旋桨的迎角查表得到的拉力系数为0.6，螺旋桨面积40cm²，叶片长度12cm，无人机质量240g，飞行模式悬停。上位机能够计算得到每个螺旋桨的理论旋转角速度。理论上此时4个螺旋桨产生的上升力为无人机的重量，根据这个值可以得到螺旋桨的转速为120r/min。

测试电机时，微控制器控制电机运转，检测每个电机的转速、转矩和电压电流。上位机计算电机的输入功率、输出功率和效率。然后连接螺旋桨，滑动电机安装座3来进行测试。检测每个电机的转速、转矩、电压电流和产生的拉力。上位机计算电机的输入功率、输出功率和效率，并且计算各个螺旋桨产生的拉力的差值是否符合先前的计算结果。

实施例3

本实施例中测试一种只在无人机主体上端设置有8个螺旋桨的无人机。使用者先在上位机2上输入n＝8，当前的空气密度为1.185kg/m³，根据螺旋桨的迎角查表得到的拉力系数为0.6，螺旋桨面积40cm²，叶片长度12cm，无人机质量240g，飞行模式悬停。上位机能够计算得到每个螺旋桨的理论旋转角速度。理论上此时8个螺旋桨产生的上升力为无人机的重量，根据这个值可以得到螺旋桨的转速为85r/min。

测试电机时，微控制器控制电机运转，检测每个电机的转速、转矩和电压电流。上位机计算电机的输入功率、输出功率和效率。然后连接螺旋桨，滑动电机安装座3来进行测试。检测每个电机的转速、转矩、电压电流和产生的拉力。上位机计算电机的输入功率、输出功率和效率，并且计算各个螺旋桨产生的拉力的差值是否符合先前的计算结果。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.无人机感应电机综合测试台，其特征在于：包括实验台(1)、微控制器、上位机(2)和至少6个的电机测试组；每组电机测试组包括电机安装座(3)、电压电流检测模块、转矩传感器、转速传感器和电机驱动模块；电机安装座(3)用于安装待测电机；待测电机分别与转速传感器、转矩传感器和电机驱动模块连接，电机驱动模块与电压电流检测模块电连接，电压电流检测模块与交流稳压电源电连接；上位机(2)与微控制器电连接，上位机(2)向微控制器传送控制指令；微控制器与每组电机驱动模块电连接，微控制器接收控制指令且分别向每组的电机驱动模块输出PWM信号；上位机(2)与每组的电压电流检测模块、转矩传感器和转速传感器电连接；转矩传感器测量待测电机转矩且将测量值传送给上位机(2)；转速传感器测量待测电机转速且将测量值传送给上位机(2)；电压电流检测模块测量输入待测电机的电压和电流且将测量值传送给上位机(2)。

2.根据权利要求1所述的无人机感应电机综合测试台，其特征在于：每组电机测试组还包括拉力传感器(4)和滑轨(5)，电机安装座(3)通过滑轨(5)与实验台(1)上端面连接，电机安装座(3)一端通过金属绳(6)与单独的拉力传感器(4)一端连接，拉力传感器(4)另一端固定在实验台(1)上，拉力传感器(4)与上位机(2)电连接。

3.根据权利要求2所述的无人机感应电机综合测试台，其特征在于：每组电机测试组还包括无人机螺旋桨，无人机螺旋桨通过联轴器与转矩传感器连接。

4.一种利用权利要求3所述无人机感应电机综合测试台的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

在上位机(2)上输入要进行测试的无人机螺旋桨个数n、空气密度ρ、螺旋桨拉力系数C_t、第i个螺旋桨面积S_i、第i个螺旋桨叶片长度R_i(i＝1、…、n)、无人机总质量和要测试的飞行模式；

上位机(2)计算该飞行模式下无人机每个螺旋桨的理论空气动力学拉力F_i，根据F_i＝ρ·C_t·S_i·(ω_i·R_i)²计算得到第i个螺旋桨的理论旋转角速度ω_i；

选择n个电机测试组，将n个与螺旋桨对应的待测电机安装在n个电机测试组的电机安装座(3)上，待测电机与转速传感器、转矩传感器和电机驱动模块连接；

上位机(2)向微控制器输送指令，微控制器输出n路PWM信号控制所有待测电机运行；

待测电机达到稳定运行时，上位机(2)接收每个电机测试组的电压电流检测模块、转矩传感器和转速传感器的测量值，计算每一电机的输入功率P_1i，P_1i＝U_1i·I_1i，其中，U_1i为测得的电压值，I_1i为测得的电流值；

上位机(2)计算每一电机的输出功率P_2i和实际效率η_1i，其中，ω_1i为测得的转速值，T_1i为测得的转矩值，

5.根据权利要求4所述的一种无人机感应电机测试方法，其特征在于还包括以下步骤：

将螺旋桨作为对应的待测电机的输出负载，通过联轴器将螺旋桨与转矩传感器连接；

滑动电机安装座(3)，在金属绳(6)绷直且拉力传感器(4)测量值为零时运行待测电机；

电机达到稳定运行时，上位机(2)接收每个电机测试组的拉力传感器(4)、电压电流检测模块、转矩传感器和转速传感器的测量值，计算每一电机的输入功率P_3i，P_3i＝U_2i·I_2i，其中，U_2i为测得的电压值，I_2i为测得的电流值；

上位机(2)计算每一电机的输出功率P_4i和实际效率η_2i，其中，ω_2i为测得的转速值，T_2i为测得的转矩值，

6.根据权利要求5所述的一种无人机感应电机测试方法，其特征在于还包括以下步骤：

在上位机(2)上选择不同的飞行模式进行实验，上位机(2)通过表格形式展示不同模式下所有测量数据和得到的计算结果；

上位机(2)根据不同飞行模式下的各项测量值和计算结果，生成每一电机的P_2i-T_1i特性曲线图、η_1i-T_1i特性曲线图、P_4i-T_2i特性曲线图、η_2i-T_2i特性曲线图、不同飞行模式下ω_i、ω_1i和ω_2i的柱状图和不同模式下F_i和F_1i的柱状图，其中F_1i为拉力传感器(4)测量值。

7.根据权利要求4所述的一种无人机感应电机测试方法，其特征在于：上位机(2)中可选择的飞行模式包括悬停、上升、下降、前进、后退、左移和右移。