CN110242470B - 一种油电混合无人机用起动发电一体式系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种油电混合无人机用起动发电一体式系统及控制方法，包括发动机、起动发电机以及与无人机相连的双向PWM整流电路，其中，发动机与起动发电机相连，起动发电机与双向PWM整流电路相连；双向PWM整流电路还连接有电池与控制器。本发明通过采用双向PWM整流电路，高效利用功率变换器和发电机电感，不增加其他功能模块的情况下，实现对发动机的起动控制，发电机的整流稳压控制。本发明可以使油电混合无人机携带更多的燃料，无人机的续航时间将大大提高。
Description
技术领域
本专利涉及无人机技术领域，具体涉及一种油电混合无人机用起动发电一体式系统及控制方法。
背景技术
油电混合无人机在工业级无人机应用中越来越受到重视。油电混合无人机的核心技术是由发动机与起动发电机等构成的发电系统。现有油电混合无人机上的发动机的起动发电机功率变换电路系统都过于繁琐，应用在无人机上时，供电性能大大折扣。
比如采用地面起动机起动，然后发电机组供电的方案，灵活性将降低；如采用不控整流加DCDC稳压电路的输出供电方案，环节过多，增加重量，降低效率。
在混合动力无人机行业中，起动发电机一般采用永磁电机，但是永磁电机无法调节励磁，发电工作时的反电势与发动机的转速成比例关系。发动机在起动发电机发电功率变化的情况下，电压时刻在波动，而对于无人机控制来说，稳定的电压是实现平稳飞行控制的前提。针对以上问题，传统的解决方法是采用三相不控整流，输出电压波动的直流电，后级加入一个DC/DC稳压三相不控整流，实现电压控制。但是由于采用三相不控整流与DC/DC，会增加损耗，且使结构复杂。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的是提出一种油电混合无人机用起动发电一体式系统及控制方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种油电混合无人机用起动发电一体式系统，包括发动机、起动发电机以及与无人机相连的双向PWM整流电路，其中，发动机与起动发电机相连，起动发电机与双向PWM整流电路相连；双向PWM整流电路还连接有电池与控制器。
本发明进一步的改进在于，电池通过双向DC/DC变换器与双向PWM整流电路相连。
本发明进一步的改进在于，双向PWM整流电路包括采用三相半桥的形式连接的六组功率MOSFET。
本发明进一步的改进在于，还包括采集三相电压电流信号与直流母线电压电流信号的电压电流传感器；六组功率MOSFET与驱动模块相连，电压电流传感器和驱动模块均与控制器相连。
一种基于上述的油电混合无人机用起动发电一体式系统的控制方法，包括以下步骤：
1)起动时，利用起动发电机将发动机拖动至点火工作点，然后发动机火花塞上电，进行点火操作；控制器根据电压电流传感器检测到的三相电压电流信号，采用转速外环电流内环的双闭环控制策略与矢量控制算法，生成SVPWM三相桥调制信号，并将SVPWM三相桥调制信号输出给驱动模块，驱动模块驱动双向PWM整流电路，双向PWM整流电路带动起动发电机，起动发电机带动发动机起动；
2)发电时，起动发电机在发动机的带动下发出交流电，控制器根据电压电流传感器检测到的交流电的三相电压电流信号，并采用电压外环电流内环的双闭环控制策略与矢量控制算法，生成SVPWM三相桥调制信号，实现发电。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，进行矢量控制算法时，根据不同的发动机转速，采用增磁控制策略、弱磁控制策略或Id＝0控制策略，生成SVPWM三相桥调制信号，并输出给双向PWM整流电路，双向PWM整流电路输出稳定的24V直流电压并驱动无人机的旋翼电机。
本发明进一步的改进在于，根据不同的发动机转速，采用增磁控制策略、弱磁控制策略或Id＝0控制策略的具体过程如下：
2)当发动机转速高于期望转速上限ωmax时，采用弱磁控制策略；
2)当发动机转速低于期望转速下限ωmin时，采用增磁控制策略；
3)当发动机转速在期望转速上限ωmax与期望转速下限ωmin之间时，采用Id＝0控制策略。
本发明进一步的改进在于，当直流母线电流过零点时，将起动切换为发电。
与现有技术相比，本发明具有得有益效果：
本发明通过采用双向PWM整流电路，高效利用功率变换器和发电机电感，不增加其他功能模块的情况下，实现对发动机的起动控制，发电机的整流稳压控制。这样功率变换电路相当于不控整流加DCDC变换器方案的重量和体积的2/3，功率流动过程中电损耗将降低到原来的1/2，这样可以使油电混合无人机携带更多的燃料，无人机的续航时间将大大提高。本发明的系统结构简单，并且不会额外的增加损耗，实现了电压的稳定控制。
本发明在油电混合无人机用发动机起动时，对起动发电机采用了矢量控制算法，提高了发动机起动的可靠性和平稳性。本发明在发电时，由于采用转速外环转矩内环的双闭环控制策略，所以可平稳的将发动机拖动至起动转速，达到发动机的起火工作点。由于采用矢量控制算法，所以具有响应速度快，可靠性高，发动机的起动成功率高。本发明采用一个双向PWM整流控制策略，即实现了发动机的起动功能，又实现了发电时整流及稳定直流电压到无人机旋翼电机额定供电电压。相比于传统的起动发电系统，硬件集成度和利用率高，大大降低了无人机自身重量，进而可以拓宽油电混合无人机的带载能力和续航时间。本发明对既可以实现起动又可以实现发电稳压的PWM整流电路的设计，提出了一套完整的设计方案，可以应用在不同类型和不同功率等级的油电混合无人机上。
进一步的，本发明在油电混合无人机用发动机带动起动发电机发电时，根据不同的转速范围，采用了三种不同的励磁电流控制方法，作用于双向PWM整流器，可以使整流输出的电压不受发动机转速波动影响，维持在平稳的额定电压24V，稳定的供电电压保证了无人机飞行姿态的可靠控制。
进一步的，本发明相比于多个分立模块实现油电混合无人机发动机的起动发电稳压系统，功率损耗仅仅集中在双向PWM整流电路上，因此整机效率大大提高，提高了供电模块的功率密度。
附图说明
图1为起动发电系统总体示意图。
图2为本发明的PWM整流电路图。
图3为本发明的起动发电控制流程图。
图4为本发明的起动发电控制框图。
图5为本发明的发电过程矢量图。其中，(a)为弱磁控制，(b)为增磁控制。
图中，1为发电机，2为起动发动机，3为双向PWM整流电路，4为旋翼电机，5为双向DC/DC变换器，6为锂电池，7为电压电流传感器，8为驱动模块，9为控制器，10为PI控制器，11为发电电压PI控制器，12为Id*＝0控制器，13为发电弱磁控制器，14为发电增磁控制器，15为SVPWM模块，16为内环PI控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参见图1，本发明的油电混合无人机用起动发电一体式系统，包括发动机1、起动发电机2、双向PWM整流电路3、双向DC/DC变换器5、锂电池6以及无人机，无人机包括旋翼电机4；其中，发动机1与起动发电机2相连，起动发电机2与双向PWM整流电路3相连，双向PWM整流电路3与无人机的旋翼电机4相连。锂电池6通过双向DC/DC变换器5与双向PWM整流电路3相连，并作为起动时的能量来源。
双向PWM整流电路3连接有控制器9。参见图2，双向PWM整流电路3由六组功率MOSFET，采用三相半桥的形式连接，双向PWM整流电路3一端与起动发电机相连，另一端与锂电池6以及无人机相连。通过电压电流传感器7采集三相电压电流信号及母线电压电流信号，六组功率MOSFET与驱动模块8相连。电压电流传感器7和驱动模块8均与控制器9相连。
参见图3与图4，本发明的控制方法主要有两个过程组成，具体如下：
1)起动时，利用起动发电机的电动性能快速将发动机拖动至点火工作点，然后发动机火花塞上电，进行点火操作。点火工作点是发动机能成功点火，冲程连续工作的最低转速。根据电压电流传感器检测到的三相电压电流信号、位置以及转速，控制器采用转速外环电流内环的双闭环控制策略与矢量控制算法，生成SVPWM三相桥调制信号，并将SVPWM三相桥调制信号输出给双向PWM整流电路的驱动模块，驱动模块驱动六组功率MOSFET，双向PWM整流电路再带动起动发电机，起动发电机带动发动机起动。其中，采用转速外环电流内环的双闭环控制及矢量控制算法如图4所示，具体为：
首先当判断母线电流为正时，控制系统切换到起动控制阶段。控制系统将检测到的三相静止坐标系下的电流信息经过Clark变换和Park变换，变换到dq轴坐标系下，实现电流信号中的转矩分量Iq与磁链分量Id的解耦。在起动工作模式下，转速作为双闭环控制的外环控制。转速设定为起动发动机成功点火转速，根据转速反馈信息，PI控制器10进行转速PI控制，转速PI控制的输出作为Iq电流内环控制的给定，Iq反馈信息由以上矢量坐标变换获取，内环PI控制器16再进行内环PI控制；另一个闭环控制是对电流分量中的磁链分量Id控制，此处采用Id*＝0控制器12进行Id＝0的控制策略，将Id反馈信号与给定信号差值进行PI控制；接着将两部分的输出进行反Clark变换，再将结果作为SVPWM模块15的输入，用来产生空间矢量脉宽调制驱动功率mos管的信号。
在起动时，能量的流向为：电能通过电池，双向PWM整流电路，起动发电机带动发动机。此时母线电流流动方向为正。
本发明由于采用转速外环转矩内环的双闭环控制策略，所以可平稳的将发动机拖动至起动转速，达到发动机的起火工作点。由于采用矢量控制算法，所以具有响应速度快，可靠性高，发动机的起动成功率高。
2)发电时，起动发电机在发动机的带动下发出交流电，控制器根据电压电流传感器检测到的交流电的三相电压电流信号、位置以及转速，并采用电压外环电流内环的双闭环控制策略与矢量控制算法，生成SVPWM三相桥调制信号。
在进行矢量控制算法时，根据不同的发动机转速，采用增磁控制策略、弱磁控制策略以及Id＝0控制策略(励磁电流等于零)三种不同的控制策略生成SVPWM的驱动信号，最后通过SVPWM生成的驱动信号输出给双向PWM整流电路，双向PWM整流电路输出稳定的24V直流电压并驱动无人机的旋翼电机，实现永磁电机磁场控制和整流稳压控制。发电过程的电压电流双闭环与矢量控制算法如图4所示，具体为：
在起动过程控制算法中的dq轴坐标系的基础上，针对发电过程，采用不同的控制策略；首先，母线电流由正过零变为负时，控制状态由起动切换至发电；根据转速判断具体采用哪种方式的发电控制策略，其中当发动机转速ω高于期望转速上限ωmax时，Id控制的给定为Id＝f1(ω)，并设计发电弱磁控制器13相应的PI控制参数；当发动机转速ω低于期望转速下限ωmin时，Id控制的给定采用Id＝f2(ω)，并设计发电增磁控制器14相应的PI控制参数；当发动机转速ω在期望转速上限ωmax与期望转速下限ωmin之间时，Id控制的给定采用Id＝0，并设计Id*＝0控制器12相应的PI控制参数；对于电压环的控制，采用电压外环，转矩电流Iq内环的控制策略，电压的给定根据实际系统输出的电压要求设定，将给定电压与实际检测电压通过发电电压PI控制器11进行PI控制，输出作为转矩电流Iq的给定，并根据矢量解耦后的Iq实际电流信息通过内环PI控制器16进行PI控制；最后将两个环的输出进行反Clark变换，输出给SVPWM模块15产生空间矢量脉宽调制信号。
采用增磁控制策略、弱磁控制策略以及Id＝0(励磁电流等于零)三种不同的控制策略实现永磁电机磁场控制和整流稳压控制的原因如下：
对于起动发电机来说，发电时的相量图如图5所示，其中电压相量(U)，电流相量(I)，d轴与q轴电流相量(Id、Iq)，旋转电动势相量(E)满足下式关系，这里R、xd、xq分别是电枢绕组电阻、直轴电抗、交轴电抗。
U＝E+IR+jxdId+jxqIq (1)
I＝Id+jIq (2)
从图5中的(a)可以看出，当起动发电机工作在低速区时，旋转电动势幅值较小，这时馈入正值的id，d轴电枢反应电动势与旋转电动势同方向，维持电枢绕组的输出电压稳定。如图5中的(b)所示，当永磁交流发电机工作在高速区时，旋转电动势较大，这时馈入负值的id，d轴电枢反应电动势反向抵消旋转电动势，继续维持输出电压稳定。从物理意义上也可以理解为：当发电机工作在低速区时，正值的id产生与永磁励磁同方向的磁动势，增强气隙磁场，从而抬升发电机输出电压至期望的稳压值。反之，当发电机工作在高速区时，负值的id产生与永磁励磁反方向的磁动势，削弱气隙磁场，从而降低发电机输出电压至期望的稳压值。
发电时，能量的流向为：发动机起动后，能量由发动机带动起动发电机发电，通过双向PWM整流电路，产生稳定的直流电压，向无人机旋翼电机供电。
根据不同的发动机转速，采用增磁控制策略、弱磁控制策略或Id＝0(励磁电流等于零)中的一种策略，生成SVPWM三相桥调制信号的具体过程如下：
3)当发动机转速ω高于期望转速上限ωmax时，采用弱磁控制策略；
2)当发动机转速ω低于期望转速下限ωmin时，采用增磁控制策略；
3)当发动机转速ω在期望转速上限ωmax与期望转速下限ωmin之间时，采用励磁电流等于零的控制策略；
针对发动机宽转速范围波动的特性，对不同的转速范围分别采用弱磁控制，增磁控制与Id＝0(励磁电流等于零)不同的控制策略可以解决整流电压随发动机转速波动问题。
当母线电流过零点时将起动切换为发电。
发动机起动过程时，母线电流流向为正即i>0时；当发动机点火成功后，处于发电状态，母线电流从整流电流端输出，母线电流流向变为负即i<0；因此在起动与发电的切换过程中，采用母线电流过零点即i＝0作为切换的标志。
本发明可以应用于不同功率等级的起动发电系统；针对油电混合无人机这样对重量有苛刻要求的应用场合，发动机采用功率密度最高的二冲程发动机，设计起动发电机及双向PWM整流电路需要满足与发动机的性能进行匹配，其中最核心的三个参数是：一为发动机的起动最大转矩；二为发动机的转速工作范围；三为发动机的额定输出功率。以这三个参数出发，合理设计起动发电机的参数，并设计匹配的双向PWM整流电路，才能完成起动和发电两个步骤；其中双向PWM整流电路需要匹配的核心参数是耐压等级与通流能力，分别对应于发电时的高电压与启动是的大电流。具体的起动发电机与双向PWM驱动电路的总体设计方法如下所示：首先根据发动机的起动转矩与工作转速范围设计合理的起动发电机，设计参数包括起动发电机的反电势系数，最大转速，起动电流。再根据发动机的工作转速与起动转矩以及起动发电机的参数，计算双向PWM整流器中的功率MOSFET的通流要求与耐压能力；最后在现有功率MOSFET器件中选取合适的型号。根据实际需求，通流与耐压需要留有2倍的裕量。当现有功率MOSFET器件的通流能力不能满足要求时，采用双管并联的方式扩增容量。
Claims (6)
1.一种油电混合无人机用起动发电一体式系统，其特征在于，包括发动机、起动发电机以及与无人机相连的双向PWM整流电路，其中，发动机与起动发电机相连，起动发电机与双向PWM整流电路相连；双向PWM整流电路还连接有电池与控制器；
电池通过双向DC/DC变换器与双向PWM整流电路相连；
双向PWM整流电路包括采用三相半桥的形式连接的六组功率MOSFET。
2.根据权利要求1所述的一种油电混合无人机用起动发电一体式系统，其特征在于，还包括采集三相电压电流信号与直流母线电压电流信号的电压电流传感器；六组功率MOSFET与驱动模块相连，电压电流传感器和驱动模块均与控制器相连。
3.一种基于权利要求2中所述的油电混合无人机用起动发电一体式系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)起动时，利用起动发电机将发动机拖动至点火工作点，然后发动机火花塞上电，进行点火操作；控制器根据电压电流传感器检测到的三相电压电流信号，采用转速外环电流内环的双闭环控制策略与矢量控制算法，生成SVPWM三相桥调制信号，并将SVPWM三相桥调制信号输出给驱动模块，驱动模块驱动双向PWM整流电路，双向PWM整流电路带动起动发电机，起动发电机带动发动机起动；
2)发电时，起动发电机在发动机的带动下发出交流电，控制器根据电压电流传感器检测到的交流电的三相电压电流信号，并采用电压外环电流内环的双闭环控制策略与矢量控制算法，生成SVPWM三相桥调制信号，实现发电。
4.根据权利要求3中所述的油电混合无人机用起动发电一体式系统的控制方法，其特征在于，步骤2)中，进行矢量控制算法时，根据不同的发动机转速，采用增磁控制策略、弱磁控制策略或励磁电流等于零控制策略，生成SVPWM三相桥调制信号，并输出给双向PWM整流电路，双向PWM整流电路输出稳定的24V直流电压并驱动无人机的旋翼电机。
5.根据权利要求4中所述的油电混合无人机用起动发电一体式系统的控制方法，其特征在于，根据不同的发动机转速，采用增磁控制策略、弱磁控制策略或励磁电流等于零控制策略的具体过程如下：
1)当发动机转速高于期望转速上限ωmax时，采用弱磁控制策略；
2)当发动机转速低于期望转速下限ωmin时，采用增磁控制策略；
3)当发动机转速在期望转速上限ωmax与期望转速下限ωmin之间时，采励磁电流等于零控制策略。
6.根据权利要求5中所述的油电混合无人机用起动发电一体式系统的控制方法，其特征在于，当直流母线电流过零点时，将起动切换为发电。
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