CN111605713B - 一种无人机混合动力系统的混合整流装置及控制方法 - Google Patents

一种无人机混合动力系统的混合整流装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了混合动力、发动机控制、电机控制技术领域的一种无人机混合动力系统的混合整流装置及控制方法。该混合整流装置包括连接在发电机与备用电池之间的整流电路，所述备用电池支路上串接用于控制备用电池电流流向的开关电路；所述整流电路包括二极管整流桥和功率MOS管整流桥，所述二极管整流桥与功率MOS管整流桥并联连接发电机，所述二极管整流桥包括六个整流二级管，所述功率MOS管整流桥包括六个功率MOS管逆变器，所述二极管整流桥的输出端并联六个续流二极管；所述功率MOS管整流桥的母线上串接第一继电器，所述二极管整流桥的母线上串接第二继电器。本发明的优点是采用主动整流和被动整流的混合，根据不同工况切换整流控制方式，实现恒压输出。

Description

一种无人机混合动力系统的混合整流装置及控制方法
技术领域
本发明涉及混合动力、发动机控制、电机控制技术领域，特别涉及一种无人机混合动力系统的混合整流装置及控制方法。
背景技术
多旋翼无人机可以实现垂直起降、悬停等，机动性、灵活性好，结构简单、控制简单，市场接受度高，广泛的用于农林植保、电力巡检、军事侦察等军农用领域，发展潜力巨大，有很明朗的市场前景。目前多旋翼无人机普遍采用动力电池供电的方式，航时较短，载重较小，且冬季或高原低温环境下电池容量减小，航时明显缩短。燃油驱动无人机动力强劲，航时长，载重大，但是燃油发动机具有明显的非线性特性，调速复杂，响应速度慢，控制困难，且燃油驱动需要结构复杂、体积庞大的传动变速机构，功重比下降。采用航空混合动力系统的解决方案，集成动力电池驱动和燃油驱动的优点，实现无人机航时长、载重大，结构简单、控制简单的目标。
现有技术的无人机混合动力系统通过高速两冲程汽油机与高速永磁同步发电机同轴机械连接组成，通过舵机连杆机构调节发动机节气门控制混合动力系统转速。永磁同步发电机转子由永磁体构成，无法调节励磁来控制发电机实现恒压输出。采用六个二极管组成整流桥，通过节气门控制发动机转速实现恒压输出。当节气门达到最大位置时，直流侧负载继续增大时，根据发动机外特性，随着负载增加，转速降低，输出电压下降。即无人机大负荷工况时，混合动力系统无法恒压输出，不满足无人机的用电需求。并且发动机最大功率点对应转速范围较小，采用被动整流控转速的控制方法时，最大功率输出电压很难与目标电压匹配。
发明内容
本发明的目的是提供一种主动整流与被动整流结合的无人机混合动力系统的混合整流装置及控制方法。
为了实现上述发明目的，本发明无人机混合动力系统的混合整流装置及控制方法采用的如下技术方案：
一种无人机混合动力系统的混合整流装置，包括连接在发电机与备用电池之间的整流电路，所述备用电池支路上串接用于控制备用电池电流流向的开关电路；所述整流电路包括二极管整流桥和功率MOS管整流桥，所述二极管整流桥与功率MOS管整流桥并联连接发电机，所述二极管整流桥包括六个整流二级管，所述功率MOS管整流桥包括六个功率MOS管逆变器，所述二极管整流桥的输出端并联六个续流二极管；所述功率MOS管整流桥的母线上串接第一继电器，所述二极管整流桥的母线上串接第二继电器。
优选的，所述开关电路包括并联设置在备用电池支路上的第一开关电路和第二开关电路，所述第一开关电路上串联第三继电器和第一截流二极管，第一截流二极管的正极与第三继电器连接，第一截流二极管的负极与整流电路连接；所述第二开关电路上串联第四继电器和第二截流二极管，第二截流二极管的正极与整流电路连接，第二截流二极管的负极与第四继电器连接。
一种无人机混合动力系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)系统初始化，舵机归零，发动机节气门至怠速位置；
(2)判断是否为起动模式，若为起动模式，开通第三继电器和第一继电器，开启起动算法，判断发动机转速若大于4000r/min，维持当前转速，等待整流命令；若发动机转速小于4000r/min，继续起动算法，直至发动机转速大于4000r/min；
(3)检测整流命令状态，若其为关断状态，维持发动机当前转速，等待整流命令；
(4)检测整流命令状态，若其为开通状态，读取直流侧电压和电流值，计算直流侧功率；若直流侧功率值小于1.6kW，开通第二继电器，使用被动整流模式，并开启发动机控制算法实现恒压输出；
(5)当发动机节气门至最大开度后，当直流侧功率值在1.6kW以上时，母线电压低于48V，开通第一继电器和第四继电器，将备用电池与发电机之间的连接切换为功率MOS管整流桥，切换无感主动整流算法，实现升压、恒压控制；
(6)当直流侧功率值降低至1.6kW以下时，开通第二继电器，将备用电池与发电机之间的连接切换为二极管整流桥，采用被动整流模式，通过发动机节气门控制发动机转速实现恒压输出。
优选的，步骤(4)中开启发动机控制算法实现恒压输出的具体步骤如下：当母线电压低于48V时，控制舵机摇臂，增加节气门开度，提高发动机转速；当母线电压高于49V时，控制舵机摇臂，减小节气门开度，降低发动机转速；当母线电压介于48V至49V之间时，保持节气门位置，维持当前发动机转速。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用混合整流的控制方法，集成发动机控制、无感主动整流控制为一体，实现升压恒压控制，控制简单，可靠性高；
(2)本发明设置的功率MOS管逆变器可以集成发电、起动功能，集成度高，远程起动功能，使用方便；
(3)本发明使用二极管整流桥与功率MOS管整流桥并联的方式，避免集成在一起相互干扰，可靠性高；
(4)本发明采用轻质高效的航空混合动力系统解决方案，提高无人机航时载重，系统简单，可替换性强。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的控制方法原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1-2所示，一种无人机混合动力系统的混合整流装置，包括连接在发电机与备用电池之间的整流电路，备用电池支路上串接用于控制备用电池电流流向的开关电路；整流电路包括二极管整流桥和功率MOS管整流桥，二极管整流桥与功率MOS管整流桥并联连接发电机，二极管整流桥包括六个整流二级管(V1’，V2’，V3’，V4’，V5’，V6’)，功率MOS管整流桥包括六个功率MOS管逆变器(S1，S2，S3，S4，S5，S6)，二极管整流桥的输出端并联六个续流二极管(V1，V2，V3，V4，V5，V6)，通过设置续流二极管，缓冲主动整流控制时产生的无功电能；功率MOS管整流桥的母线上串接第一继电器K3，二极管整流桥的母线上串接第二继电器K4；开关电路包括并联设置在备用电池支路上的第一开关电路和第二开关电路，第一开关电路上串联第三继电器K1和第一截流二极管V7，第一截流二极管V7的正极与第三继电器K1连接，第一截流二极管V7的负极与整流电路连接；第二开关电路上串联第四继电器K2和第二截流二极管V8，第二截流二极管V8的正极与整流电路连接，第二截流二极管V8的负极与第四继电器K2连接。
一种无人机混合动力系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)系统初始化，舵机归零，发动机节气门至怠速位置；
(2)判断是否为起动模式，若为起动模式，开通第三继电器K1和第一继电器K3，开启起动算法，判断发动机转速若大于4000r/min，维持当前转速，等待整流命令；若发动机转速小于4000r/min，继续起动算法，直至发动机转速大于4000r/min；
(3)检测整流命令状态，若其为关断状态，维持发动机当前转速，等待整流命令；
(4)检测整流命令状态，若其为开通状态，读取直流侧电压和电流值，计算直流侧功率；若直流侧功率值小于1.6kW，开通第二继电器K4，使用被动整流模式，并开启发动机控制算法实现恒压输出；
(5)当发动机节气门至最大开度后，当直流侧功率值在1.6kW以上时，母线电压低于48V，开通第一继电器K3和第四继电器K2，将备用电池与发电机之间的连接切换为功率MOS管整流桥，切换无感主动整流算法，实现升压、恒压控制；
(6)当直流侧功率值降低至1.6kW以下时，开通第二继电器K4，将备用电池与发电机之间的连接切换为二极管整流桥，采用被动整流模式，通过发动机节气门控制发动机转速实现恒压输出。
上述步骤(4)中开启发动机控制算法实现恒压输出的具体步骤如下：当母线电压低于48V时，控制舵机摇臂，增加节气门开度，提高发动机转速；当母线电压高于49V时，控制舵机摇臂，减小节气门开度，降低发动机转速；当母线电压介于48V至49V之间时，保持节气门位置，维持当前发动机转速。
本发明的具体工作过程与原理：本发明通过将二极管整流桥和功率MOS管整流桥并联，实现主动整流和被动整流的混合，根据不同工况切换整流控制方式，小功率工况时，开通第二继电器K4，将备用电池与发电机之间的连接切换为二极管整流桥，使用被动整流方法，控制发动机节气门实现变负载时恒压输出；大功率工况时，保持节气门位置，开通第一继电器K3和第四继电器K2，将备用电池与发电机之间的连接切换为功率MOS管整流桥，使用主动整流方法，通过升压算法实现变负载时恒压输出。

Claims (2)

1.一种无人机混合动力系统的控制方法，其特征在于：所述无人机混合动力系统包括混合整流装置，混合整流装置包括连接在发电机与备用电池之间的整流电路，所述备用电池支路上串接用于控制备用电池电流流向的开关电路；所述整流电路包括二极管整流桥和功率MOS管整流桥，所述二极管整流桥与功率MOS管整流桥并联连接发电机，所述二极管整流桥包括六个整流二级管，所述功率MOS管整流桥包括六个功率MOS管逆变器，所述二极管整流桥的输出端并联六个续流二极管；所述功率MOS管整流桥的母线上串接第一继电器，所述二极管整流桥的母线上串接第二继电器；所述开关电路包括并联设置在备用电池支路上的第一开关电路和第二开关电路，所述第一开关电路上串联第三继电器和第一截流二极管，第一截流二极管的正极与第三继电器连接，第一截流二极管的负极与整流电路连接；所述第二开关电路上串联第四继电器和第二截流二极管，第二截流二极管的正极与整流电路连接，第二截流二极管的负极与第四继电器连接；
所述无人机混合动力系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)系统初始化，舵机归零，发动机节气门至怠速位置；
(2)判断是否为起动模式，若为起动模式，开通第三继电器和第一继电器，开启起动算法，判断发动机转速若大于4000r/min，维持当前转速，等待整流命令；若发动机转速小于4000r/min，继续起动算法，直至发动机转速大于4000r/min；
(3)检测整流命令状态，若其为关断状态，维持发动机当前转速，等待整流命令；
(4)检测整流命令状态，若其为开通状态，读取直流侧电压和电流值，计算直流侧功率；若直流侧功率值小于1.6kW，开通第二继电器，使用被动整流模式，并开启发动机控制算法实现恒压输出；
(5)当发动机节气门至最大开度后，当直流侧功率值在1.6kW以上时，母线电压低于48V，开通第一继电器和第四继电器，将备用电池与发电机之间的连接切换为功率MOS管整流桥，切换无感主动整流算法，实现升压、恒压控制；
(6)当直流侧功率值降低至1.6kW以下时，开通第二继电器，将备用电池与发电机之间的连接切换为二极管整流桥，采用被动整流模式，通过发动机节气门控制发动机转速实现恒压输出。
2.根据权利要求1所述的无人机混合动力系统的控制方法，其特征在于，步骤(4)中开启发动机控制算法实现恒压输出的具体步骤如下：当母线电压低于48V时，控制舵机摇臂，增加节气门开度，提高发动机转速；当母线电压高于49V时，控制舵机摇臂，减小节气门开度，降低发动机转速；当母线电压介于48V至49V之间时，保持节气门位置，维持当前发动机转速。
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