CN111348203A - 一种手持式航空混合动力系统的起动装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手持式航空混合动力系统的起动装置，包括起动装置外壳、起动按钮、正反转选择开关、PCB电路板、三相永磁无刷直流电机、起动头与电池接口，起动按钮与正反转选择开关设于起动装置外壳的外表面上，PCB电路板与三相永磁无刷直流电机内置于起动装置外壳的内部，起动头固定于起动装置外壳的端部；起动按钮和正反转选择开关用于向PCB电路板发送工作模式指令；PCB电路板用于控制三相永磁无刷直流电机运转；三相永磁无刷直流电机直接连接起动头；电池接口用于连接标准3S‑6S航模电池。

Description

一种手持式航空混合动力系统的起动装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及微小型航空混合动力系统起动技术领域，具体涉及一种手持式航空混合动力系统的起动装置及其控制方法。

背景技术

微小型航空混合动力系统由于续航时间长，载重能力强，是当前工业无人机常用的动力系统解决方案。工业无人机用微小型航空混合动力系统的核心部件为高速二冲程小排量活塞发动机和高速永磁同步电机，受功重比的限制，上述混合动力系统不额外配置起动电机，因此，需要独立的起动装置进行起动。

微小型航空混合动力系统具备如下特点，1)其发动机为高速大压缩比活塞机，起动阻力矩大，阻力矩的波动剧烈，发动机点火转速一般在3000～4000转/分钟；2)电机转子系统连接在发动机输出轴上，一定程度上增加了系统转轴的转动惯量，并且由于电机齿槽转矩的存在，起动阻力和阻力矩的波动进一步加剧。上述特点决定微小型航空混合动力系统的起动装置需具备高速、重载、抗波动起动能力。

现有手持式起动器结构简单，无法满足高速重载大扰动的起动要求。除此之外，该类起动器还存在以下问题：1)起动开关设在功率回路，长时间工作后开关的两极极易胶着粘合，导致系统无法断电，容易引发安全事故；2)不具备正传反转起动功能，使用得起动器与系统得匹配受限；3)起动电流不可控，容易过载，损坏起动装置；4)只能匹配特定型号电池(一般为4S锂离子电池)，电机起动电流不可控，电池电压超过4S时，开关胶着现象加剧，电池电压低于4S时，起动扭矩不足；5)起动前需先手动反转发动机，以减小起动初期发动机的缸内阻力，容易诱发人身安全事故；6)起动电机为有刷电机，电刷容易磨损，使得起动装置得寿命受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种手持式航空混合动力系统的起动装置及其控制方法，该起动装置起动转速高，起动扭矩大，具备正反转起动功能，可灵活配置3S-6S电池包，起动前自动发转发动机，结构紧凑，寿命长，可靠性高。

本发明提供了如下的技术方案：

一种手持式航空混合动力系统的起动装置及其控制方法，包括起动装置外壳、起动按钮、正反转选择开关、PCB电路板、三相永磁无刷直流电机、起动头与电池接口，所述起动按钮与所述正反转选择开关设于所述起动装置外壳的外表面上，所述PCB电路板与所述三相永磁无刷直流电机内置于所述起动装置外壳的内部，所述起动头固定于所述起动装置外壳的端部；

所述起动按钮和正反转选择开关用于向所述PCB电路板发送工作模式指令；所述PCB电路板用于控制所述三相永磁无刷直流电机运转；所述三相永磁无刷直流电机直接连接所述起动头；所述电池接口用于连接标准3S-6S航模电池。

优选的，所述PCB电路板包括控制芯片、信号处理电路以及电机驱动电路；

所述控制芯片用于控制所述三相永磁无刷直流电机的恒电流模式运转、操作性停机、过载保护性停机以及预设起动程序的运行；

所述信号处理电路用于处理电机驱动信号、电机电流反馈信号和母线电压反馈信号；

所述电机驱动电路由6个MOSFET开关组成，用于驱动所述三相永磁无刷直流电机。

优选的，所述起动按钮按下时向所述控制芯片发送运转指令；松开时向所述控制芯片发送停机指令；所述正反转选择开关用于向所述控制芯片发送正反转配置信号，配置起动装置的正反向运转。

优选的，所述信号处理电路的电机电流的反馈信号后，输入所述控制芯片，所述控制芯片根据所述电流反馈信号，调节电机的驱动电流，实现所述三相永磁无刷直流电机的恒电流工作模式和限流保护功能；所述信号处理电路的母线电压的反馈信号后，输入所述控制芯片，所述控制芯片根据所述电压反馈信号，选择控制装置的工作模式，即当母线电压处于3S-6S时，系统进入正常工作模式；当母线电压小于3S时系统进入欠压保护模式；当母线电压高于6S时系统进入过压保护模式。

优选的，所述起动头包括金属套筒和橡胶锥形起动套，所述橡胶锥形起动套内置于所述金属套筒。

优选的，所述电池接口为航模标准XT60或T型公插头。

一种手持式航空混合动力系统的起动装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、起动装置起动前，接入3S-6S标准航模电池包，系统上电，根据起动需求，对所述起动装置的正反转选择开关进行相应配置；

S2、当控制芯片检测到母线电压低于3S时，触发欠压保护，系统断电；当控制芯片检测到母线电压高于6S时，触发过压保护，系统断电；

S3、按下起动按钮，所述控制芯片执行预设起动程序，所述起动装置先自动反转混合动力系统，然后以最大恒定电流，高速起动所述混合动力系统；

S4、所述控制芯片接受电机电流的反馈信号，并不断调节电机驱动电路的MOSFET开关管，将电机电流控制在理想恒定值，此时，所述三相永磁无刷直流电机以恒定电流运转；

S5、当系统检测到驱动电流超出安全阈值，控制芯片发送刹车指令，关断所述电机驱动电路的MOSFET开关管，系统停机；

S6、松开起动按钮，控制芯片输出刹车信号，关断所述MOSFET开关管，系统停机。

优选的，所述预设起动程序包括如下步骤：

S1、若正反转选择开关选择正向起动模式，则所述控制芯片首先控制所述三相永磁无刷直流电机反向缓速运转；若正反转选择开关选择反向起动模式，则所述控制芯片首先控制所述三相永磁无刷直流电机正向缓速运转；

S2、缓速运转过程中所述控制芯片不断检测电机电流反馈信号，当其值大于预设值时停止缓速运转，此时混合动力系统起动轴到达最优起动位置；

S3、若所述正反转选择开关选择正向起动模式，则所述控制芯片以最大恒定电流驱动所述永磁无刷直流电机正向恒速运转，转速控制在4000转/分钟；若所述正反转选择开关选择反向起动模式，则所述控制芯片以最大恒定电流驱动所述永磁无刷直流电机反向恒速运转，转速控制在4000转/分钟；

S4、松开起动按钮，所述预设起动程序结束。

本发明的有益效果是：

1)采用信号开关，起动按钮无焦灼粘和风险，提高起动装置的使用寿命和可靠性；

2)具备正反转起动，可灵活匹配不同系统的起动要求；

3)起动电机采用最大恒定电流驱动模式，最大化起动扭矩，提高起动装置的起动成功率；

4)无内置减速机构，最大化提升起动电机的起动转速，增加起动装置的起动从成功率；

5)具备欠压、过压、过流保护功能，保护起动装置免受意外损伤，提高起动装置的寿命和可靠性；

6)起动电机采用三相永磁无刷直流电机，没有机械换向结构，增加起动装置的寿命。

7)预设起动程序，起动前自动反转发动机曲轴，以减小初始起动阻力，最大化起动成功率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明起动装置的外观图；

图2为本发明起动装置右视图；

图3为本发明结构示意图；

图4为本发明PCB电路板原理示意图；

图5为本发明起动装置控制流程图；

图6为本发明预设起动程序执行逻辑图；

图中：1-起动装置外壳，2-起动按钮，3-正反转选择开关，4-起动头，5-电池接口，6-三相永磁无刷直流电机，7-PCB电路板，8-电池包，9-控制芯片，10-信号处理电路，11-电机驱动电路。

具体实施方式

如图1-图3所示，一种手持式航空混合动力系统的起动装置，包括起动装置外壳1、起动按钮2、正反转选择开关3、PCB电路板7、三相永磁无刷直流电机6、起动头4与电池接口5，起动按钮2与正反转选择开关3设于起动装置外壳1的外表面上，PCB电路板7与三相永磁无刷直流电机6内置于起动装置外壳1的内部，起动头4固定于起动装置外壳1的端部；

起动头4包括金属套筒和橡胶锥形起动套，橡胶锥形起动套内置于金属套筒，电池接口5为航模标准XT60或T型公插头。

如图4所示，起动按钮2和正反转选择开关3用于向PCB电路板7发送工作模式指令；PCB电路板7用于控制三相永磁无刷直流电机6运转；三相永磁无刷直流电机6直接连接起动头4；电池接口5用于连接标准3S-6S航模电池。

具体的，PCB电路板7包括控制芯片9、信号处理电路10以及电机驱动电路12；

其中，控制芯片9用于控制三相永磁无刷直流电机6的恒电流模式运转、操作性停机、过载保护性停机以及预设起动程序的运行；

信号处理电路10用于处理电机驱动信号、电机电流反馈信号和母线电压反馈信号；

电机驱动电路12由6个MOSFET开关组成，用于驱动三相永磁无刷直流电机6。

起动按钮2按下时向控制芯片9发送运转指令；松开时向控制芯片9发送停机指令；正反转选择开关3用于向控制芯片9发送正反转配置信号，配置起动装置的正反向运转。

信号处理电路10的电机电流的反馈信号后，输入控制芯片9，控制芯片9根据电流反馈信号，调节电机的驱动电流，实现三相永磁无刷直流电机6的恒电流工作模式和限流保护功能；信号处理电路10的母线电压的反馈信号后，输入控制芯片9，控制芯片9根据电压反馈信号，选择控制装置的工作模式，即当母线电压处于3S-6S时，系统进入正常工作模式；当母线电压小于3S时系统进入欠压保护模式；当母线电压高于6S时系统进入过压保护模式。

如图5所示，一种手持式航空混合动力系统的起动装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、起动装置起动前，接入3S-6S标准航模电池包8，系统上电，根据起动需求，对起动装置的正反转选择开关3进行相应配置；

S2、当控制芯片9检测到母线电压低于3S时，触发欠压保护，系统断电；当控制芯片9检测到母线电压高于6S时，触发过压保护，系统断电；

S3、按下起动按钮2，控制芯片9执行预设起动程序，起动装置先自动反转混合动力系统，然后以最大恒定电流，高速起动混合动力系统；

S4、控制芯片9接受电机电流的反馈信号，并不断调节电机驱动电路12的MOSFET开关管，将电机电流控制在理想恒定值，此时，三相永磁无刷直流电机6以恒定电流运转；

S5、当系统检测到驱动电流超出安全阈值，控制芯片9发送刹车指令，关断电机驱动电路12的MOSFET开关管，系统停机；

S6、松开起动按钮2，控制芯片9输出刹车信号，关断MOSFET开关管，系统停机。

如图6所示，一种手持式航空混合动力系统的起动装置的控制方法，预设起动程序包括如下步骤：

S1、若正反转选择开关3选择正向起动模式，则控制芯片9首先控制三相永磁无刷直流电机6反向缓速运转；若正反转选择开关3选择反向起动模式，则控制芯片9首先控制三相永磁无刷直流电机6正向缓速运转；

S2、缓速运转过程中控制芯片9不断检测电机电流反馈信号，当其值大于预设值时停止缓速运转，此时混合动力系统起动轴到达最优起动位置；

S3、若正反转选择开关3选择正向起动模式，则控制芯片9以最大恒定电流驱动永磁无刷直流电机正向恒速运转，转速控制在4000转/分钟；若正反转选择开关3选择反向起动模式，则控制芯片9以最大恒定电流驱动永磁无刷直流电机反向恒速运转，转速控制在4000转/分钟；

S4、松开起动按钮2，预设起动程序结束。

如图1-图6所示，整个起动装置的工作过程如下：

1)起动装置在起动微小型航空混合动力系统前，先将标准3S-6S航模电池包8插入所述起动装置的电池接口5，并将起动头4压紧到混合动力系统的起动轴上，根据混合动力系统的正反转起动要求，将正反转选择开关3拨至相应位置，起动装置进入待命状态；

2)系统检测，若控制芯片9检测到母线电压大于6S，系统进入过压保护状态，此时起动装置无法运行，需更换电池；若控制芯片9检测到母线电压小于3S，系统进入欠压保护状态，此时起动装置无法运行，需更换电池；

3)按住起动按钮2，触发控制芯片9运行预设起动程序；

4)若正反转选择开关3处于正向起动位置，则控制芯片9首先驱动电机反向缓速运行，并实时检测电机电流值，当电机电流值大于预设值I_ref时，缓速运转结束，此时混动系统的起动轴处于最佳起动位置，之后，电机以最大恒定电流I_r_max正向驱动永磁无刷直流电机，并控制其速度在4000转/分钟；

5)若正反转选择开关3处于反向起动位置，则控制芯片9首先驱动电机正向缓速运行，并实时检测电机电流值，当电机电流值大于预设值I_ref时，缓速运转结束，此时混动系统的起动轴处于最佳起动位置，之后，电机以最大恒定电流I_r_max反向驱动永磁无刷直流电机，并控制其速度在4000转/分钟；

6)运行过程中，控制芯片9实时检测电机电流信号，当其值大于预设值I_max时，触发过流保护功能，系统停机；

7)松开起动按钮2，起动装置停止工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种手持式航空混合动力系统的起动装置，其特征在于，包括起动装置外壳、起动按钮、正反转选择开关、PCB电路板、三相永磁无刷直流电机、起动头与电池接口，所述起动按钮与所述正反转选择开关设于所述起动装置外壳的外表面上，所述PCB电路板与所述三相永磁无刷直流电机内置于所述起动装置外壳的内部，所述起动头固定于所述起动装置外壳的端部；

所述起动按钮和正反转选择开关用于向所述PCB电路板发送工作模式指令；所述PCB电路板用于控制所述三相永磁无刷直流电机运转；所述三相永磁无刷直流电机直接连接所述起动头；所述电池接口用于连接标准3S-6S航模电池。

2.根据权利要求1所述的一种手持式航空混合动力系统的起动装置，其特征在于，所述PCB电路板包括控制芯片、信号处理电路以及电机驱动电路；

所述控制芯片用于控制所述三相永磁无刷直流电机的恒电流模式运转、操作性停机、过载保护性停机以及预设起动程序的运行；

所述信号处理电路用于处理电机驱动信号、电机电流反馈信号和母线电压反馈信号；

所述电机驱动电路由6个MOSFET开关组成，用于驱动所述三相永磁无刷直流电机。

3.根据权利要求2所述的一种手持式航空混合动力系统的起动装置，其特征在于，所述起动按钮按下时向所述控制芯片发送运转指令；松开时向所述控制芯片发送停机指令；所述正反转选择开关用于向所述控制芯片发送正反转配置信号，配置起动装置的正反向运转。

4.根据权利要求3所述的一种手持式航空混合动力系统的起动装置，其特征在于，所述信号处理电路的电机电流的反馈信号后，输入所述控制芯片，所述控制芯片根据所述电流反馈信号，调节电机的驱动电流，实现所述三相永磁无刷直流电机的恒电流工作模式和限流保护功能；所述信号处理电路的母线电压的反馈信号后，输入所述控制芯片，所述控制芯片根据所述电压反馈信号，选择控制装置的工作模式，即当母线电压处于3S-6S时，系统进入正常工作模式；当母线电压小于3S时系统进入欠压保护模式；当母线电压高于6S时系统进入过压保护模式。

5.根据权利要求1所述的一种手持式航空混合动力系统的起动装置，其特征在于，所述起动头包括金属套筒和橡胶锥形起动套，所述橡胶锥形起动套内置于所述金属套筒。

6.根据权利要求1所述的一种手持式航空混合动力系统的起动装置，其特征在于，所述电池接口为航模标准XT60或T型公插头。

7.一种根据权利要求1-6所述的手持式航空混合动力系统的起动装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、起动装置起动前，接入3S-6S标准航模电池包，系统上电，根据起动需求，对所述起动装置的正反转选择开关进行相应配置；

S2、当控制芯片检测到母线电压低于3S时，触发欠压保护，系统断电；当控制芯片检测到母线电压高于6S时，触发过压保护，系统断电；

S3、按下起动按钮，所述控制芯片执行预设起动程序，所述起动装置先自动反转混合动力系统，然后以最大恒定电流，高速起动所述混合动力系统；

S4、所述控制芯片接受电机电流的反馈信号，并不断调节电机驱动电路的MOSFET开关管，将电机电流控制在理想恒定值，此时，所述三相永磁无刷直流电机以恒定电流运转；

S5、当系统检测到驱动电流超出安全阈值，控制芯片发送刹车指令，关断所述电机驱动电路的MOSFET开关管，系统停机；

S6、松开起动按钮，控制芯片输出刹车信号，关断所述MOSFET开关管，系统停机。

8.根据权利要求7所述的一种手持式航空混合动力系统的起动装置的控制方法，其特征在于，所述预设起动程序包括如下步骤：

S1、若正反转选择开关选择正向起动模式，则所述控制芯片首先控制所述三相永磁无刷直流电机反向缓速运转；若正反转选择开关选择反向起动模式，则所述控制芯片首先控制所述三相永磁无刷直流电机正向缓速运转；

S2、缓速运转过程中所述控制芯片不断检测电机电流反馈信号，当其值大于预设值时停止缓速运转，此时混合动力系统起动轴到达最优起动位置；

S3、若所述正反转选择开关选择正向起动模式，则所述控制芯片以最大恒定电流驱动所述永磁无刷直流电机正向恒速运转，转速控制在4000转/分钟；若所述正反转选择开关选择反向起动模式，则所述控制芯片以最大恒定电流驱动所述永磁无刷直流电机反向恒速运转，转速控制在4000转/分钟；

S4、松开起动按钮，所述预设起动程序结束。

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