CN111608838B - 一种起发一体的无人机微型混合动力系统和起动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了混合供电技术领域的一种起发一体的无人机微型混合动力系统和起动方法。该系统包括二冲程活塞发动机、起发一体电机、位置传感器、电机控制器以及电源，起发一体电机的转子轴轴连二冲程活塞发动机的曲轴；电机控制器包括驱动电路、整流电路、充放电电路、第一二极管、第二二极管和双路继电器；驱动电路包括驱动芯片，整流电路的一端连接电源，另一端连接地，整流电路的输出端连接起发一体电机；充放电电路包括第一超级电容和第二超级电容，第一超级电容与第一二极管串联，形成第一串联电路；第二超级电容与第二二极管串联，形成第二串联电路，第一串联电路和第二串联电路并联连接整流电路。本发明的优点是减少起动阻力和阻力矩波动。

Description

一种起发一体的无人机微型混合动力系统和起动方法
技术领域
本发明涉及混合供电技术领域，特别涉及一种起发一体的无人机微型混合动力系统和起动方法。
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。现有技术中的微小型航空混合动力系统主要存在如下问题：
(1)普通的混合动力系统中，电机通过减速机连接在发动机的曲轴上，通过减速机的设置，降低转速，增大转矩，但是，由于发动机点火转速一般在3000～4000转/分钟，减速机的设置导致起动阻力矩大，阻力矩的波动剧烈，使得起动困难，同时，减速机的设置还具有可靠性低、自重增加，功重比低的问题；
(2)若将混合动力系统中的减速机去除，虽然一定程度上增加了系统转轴的转动惯量，但是，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，系统起动依旧困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种减少起动阻力和阻力矩波动的起发一体的无人机微型混合动力系统和起动方法。
为了实现上述发明目的，本发明起发一体的无人机微型混合动力系统和起动方法采用的如下技术方案：
一种起发一体的无人机微型混合动力系统，包括二冲程活塞发动机、起发一体电机、位置传感器、电机控制器以及电源，所述二冲程活塞发动机包括缸体、活塞、连杆和曲轴，所述电机控制器与起发一体电机相连，所述起发一体电机的转子轴轴连二冲程活塞发动机的曲轴；所述电机控制器包括驱动电路、整流电路、充放电电路、第一二极管、第二二极管和双路继电器；所述驱动电路包括驱动芯片，驱动芯片与整流电路的输入端相连，所述整流电路的一端连接电源，另一端连接地，所述整流电路的输出端连接起发一体电机；所述充放电电路与整流电路并联，所述充放电电路包括第一超级电容和第二超级电容，所述第一超级电容与第一二极管串联，形成第一串联电路；所述第二超级电容与第二二极管串联，形成第二串联电路，所述第一串联电路和第二串联电路并联连接整流电路，所述双路继电器用于开断第一串联电路和第二串联电路，所述双路继电器、第一二极管和第二二极管并联。
优选的，所述整流电路包括六个N型MOSFET管，其中三个N型MOSFET管为半桥高边MOSFET管，另外三个N型MOSFET管为半桥低边MOSFET管；所述驱动芯片设置为三个，驱动芯片的高端控制引脚与半桥高边MOSFET管的G极相连，驱动芯片的低端控制引脚半桥低边MOSFET管的G极相连。
优选的，所述位置传感器为霍尔位置传感器。
优选的，所述起发一体电机为永磁无刷直流电机。
一种起发一体的无人机微型混合动力系统的起动方法，包括如下步骤：
(1)电机控制器发出系统上电启动时，电源通过第一二极管给第一超级电容充电，同时，电源通过第二二极管给第二超级电容充电，为起发一体电机起动二冲程活塞发动机做准备；
(2)位置传感器获取起发一体电机转子初始位置，并将该信号传输给电机控制器；
(3)电机控制器获取起发一体电机转子初始位置后，施加相隔(120×P)°电角度的驱动电压矢量，其中P为起发一体电机转子的极对数，在二冲程活塞发动机的活塞下行至下止点时，双路继电器其中一路连通第一串联电路，触发脉冲使第一超级电容放电，二冲程活塞发动机的活塞越过下止点上行；
(4)电机控制器采集位置传感器的信号，获得起发一体电机转子的转动角度，当起发一体电机转子的转动角度为115°时，继续施加相隔(120×P)°电角度的驱动电压矢量，其中P为起发一体电机转子的极对数，在二冲程活塞发动机的活塞上行至上止点时，双路继电器另外一路连通第二串联电路，触发脉冲使第二超级电容放电，二冲程活塞发动机的活塞越过上止点下行；
(5)电机控制器采集位置传感器的信号，获得起发一体电机转子的转动角度，当起发一体电机转子的转动角度为125°时，起发一体电机进入六步换相驱动模式；
(6)电机控制器发出充电信号时，电源通过第一二极管给第一超级电容充电，同时，电源通过第二二极管给第二超级电容充电，为下一次起发一体电机起动二冲程活塞发动机做准备。
本发明在上述步骤(4)中设置第二超级电容放电，主要是因为二冲程活塞发动机的活塞在运行至上止点时，起发一体电机的起动阻力矩达到最大，此时若起动电流较小，起发一体电机转矩无法克服阻力矩，就无法完成起动，因此，本发明设置第二超级电容，在阻力矩最大的位置实现瞬间放电，提供足够大的电流，通过两次的超级电容放电能使瞬时峰值起动电流达到25A左右，240°机械角度的转动区间使起发一体电机一定能越过上止点，从而保证系统的顺利起动。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明省去现有技术中的减速机，直接将起发一体电机的转子轴轴连二冲程活塞发动机的曲轴，增大转速，同时，通过在驱动电路上并联超级电容，超级电容能够提供足够大的电流，通过超级电容的瞬间放电驱动二冲程活塞发动机转动，从而克服现有技术中因电机齿槽转矩导致阻力大的问题，系统能够顺利起动；
2、本发明电机控制器采用三个驱动芯片驱动三相整流桥的六个N型MOSFET管，并采用超级电容与电机驱动电路并联，两步式直接起动的控制方法，起动方便；具体的，超级电容设置两个，分为第一超级电容和第二超级电容，将第二超级电容放电控制在活塞上行至上止点，是因为活塞处于上行状态时，所受阻力逐渐增大，当活塞至上止点位置时，阻力最大，此时，对第二超级电容进行放电，在足够大的电流下保证活塞顺利越过上止点，本发明通过两次的超级电容放电能使瞬时峰值起动电流达到25A左右，240°机械角度的转动区间使起发一体电机一定能越过上止点，从而保证系统的顺利起动。
附图说明
图1为本发明起发一体的无人机微型混合动力系统的结构示意图；
图2为本发明起发一体的无人机微型混合动力系统的控制方法流程图；
图3为起发一体的无人机微型混合动力系统的电路原理图；
图4为第一超级电容放电时的活塞位置示意图；
图5为第二超级电容放电时的活塞位置示意图。
其中，1起发一体电机，2二冲程活塞发动机，3电机控制器，4双路继电器，5缸体，6活塞。
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1-5所示，一种起发一体的无人机微型混合动力系统，包括二冲程活塞发动机2、起发一体电机1、位置传感器、电机控制器3以及电源，起发一体电机1为永磁无刷直流电机，二冲程活塞发动机2包括缸体5、活塞6、连杆和曲轴，电机控制器3与起发一体电机1相连，起发一体电机1的转子轴轴连二冲程活塞发动机2的曲轴；电机控制器3包括驱动电路、整流电路、充放电电路、第一二极管、第二二极管和双路继电器4，位置传感器为霍尔位置传感器；驱动电路包括驱动芯片，驱动芯片与整流电路的输入端相连，整流电路的一端连接电源，另一端连接地，所述整流电路的输出端连接起发一体电机1；充放电电路与整流电路并联，充放电电路包括第一超级电容C1和第二超级电容C2，第一超级电容C1与第一二极管D1串联，形成第一串联电路；第二超级电容C2与第二二极管D2串联，形成第二串联电路，第一串联电路和第二串联电路并联连接整流电路，双路继电器4用于开断第一串联电路和第二串联电路，双路继电器4、第一二极管和第二二极管并联；整流电路包括六个N型MOSFET管，其中三个N型MOSFET管为半桥高边MOSFET管(M1、M3、M5)，另外三个N型MOSFET管为半桥低边MOSFET管(M2、M4、M6)；驱动芯片设置为三个，三个驱动芯片U1、U2、U3，三个驱动芯片的高端控制引脚与半桥高边MOSFET管的G极相连，三个驱动芯片的低端控制引脚与半桥低边MOSFET管的G极相连。
一种起发一体的无人机微型混合动力系统的起动方法，包括如下步骤：
(1)电机控制器3发出系统上电启动时，电源通过第一二极管给第一超级电容充电，同时，电源通过第二二极管给第二超级电容充电，充电时间为3秒，为起发一体电机1起动二冲程活塞发动机2做准备；
(2)位置传感器获取起发一体电机1转子初始位置，并将该信号传输给电机控制器3；
(3)电机控制器3获取起发一体电机1转子初始位置后，施加相隔(120×P)°电角度的驱动电压矢量，其中P为起发一体电机1转子的极对数，在二冲程活塞发动机2的活塞6下行至下止点时，如附图4所示，双路继电器4其中一路连通第一串联电路，触发脉冲使第一超级电容放电，二冲程活塞发动机2的活塞6越过下止点上行；
(4)电机控制器3采集位置传感器的信号，获得起发一体电机1转子的转动角度，其中，转动角度通过计算获得，转动角度＝电角度/P，P为起发一体电机1转子的极对数，电角度是通过位置传感器获取；当起发一体电机1转子的转动角度为115°时，继续施加相隔(120×P)°电角度的驱动电压矢量，其中P为起发一体电机1转子的极对数，在二冲程活塞发动机2的活塞6上行至上止点时，如附图5所示，双路继电器4另外一路连通第二串联电路，触发脉冲使第二超级电容放电，二冲程活塞发动机2的活塞6越过上止点下行；
(5)电机控制器3采集位置传感器的信号，获得起发一体电机1转子的转动角度，其中，转动角度通过计算获得，转动角度＝电角度/P，P为起发一体电机1转子的极对数，电角度是通过位置传感器获取；当起发一体电机1转子的转动角度为125°时，二冲程活塞发动机2的活塞6越过上止点下行，起发一体电机1的转速已经能够检测到足够的反电势信号，起发一体电机1进入六步换相驱动模式；
(6)电机控制器3发出充电信号时，电源通过第一二极管给第一超级电容充电，同时，电源通过第二二极管给第二超级电容充电，充电时间为3秒，为下一次起发一体电机1起动二冲程活塞发动机2做准备。
本发明的具体工作过程与原理：通过电机控制器3发出充电信号给第一超级电容和第二超级电容充电，第一超级电容放电时，通过对起发一体电机1施加相隔(120×P)°电角度的驱动电压矢量，在二冲程活塞发动机2的活塞6下行至下止点时进行第一超级电容的放电，第一超级电容释放的足够电流驱动活塞6顺利上行；然后通过位置传感器获得转动角度，当起发一体电机1转子的转动角度为115°时，继续施加相隔(120×P)°电角度的驱动电压矢量，在冲程活塞6发动机的活塞6上行至上止点时，第二超级电容放电，本发明将第二超级电容放电控制在活塞6上行至上止点，是因为活塞6处于上行状态时，所受阻力逐渐增大，当活塞6至上止点位置时，阻力最大，此时，对第二超级电容进行放电，在足够大的电流下保证活塞6顺利越过上止点，本发明通过两次的超级电容放电能使瞬时峰值起动电流达到25A左右，240°机械角度的转动区间使起发一体电机1一定能越过上止点，从而保证系统的顺利起动。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种起发一体的无人机微型混合动力系统，包括二冲程活塞发动机、起发一体电机、位置传感器、电机控制器以及电源，所述二冲程活塞发动机包括缸体、活塞、连杆和曲轴，所述电机控制器与起发一体电机相连，其特征在于：所述起发一体电机的转子轴轴连二冲程活塞发动机的曲轴；所述电机控制器包括驱动电路、整流电路、充放电电路、第一二极管、第二二极管和双路继电器；所述驱动电路包括驱动芯片，驱动芯片与整流电路的输入端相连，所述整流电路的一端连接电源，另一端连接地，所述整流电路的输出端连接起发一体电机；所述充放电电路与整流电路并联，所述充放电电路包括第一超级电容和第二超级电容，所述第一超级电容与第一二极管串联，形成第一串联电路；所述第二超级电容与第二二极管串联，形成第二串联电路，所述第一串联电路和第二串联电路并联连接整流电路，所述双路继电器用于开断第一串联电路和第二串联电路，所述双路继电器、第一二极管和第二二极管并联。
2.根据权利要求1所述的起发一体的无人机微型混合动力系统，其特征在于：所述整流电路包括六个N型MOSFET管，其中三个N型MOSFET管为半桥高边MOSFET管，另外三个N型MOSFET管为半桥低边MOSFET管；所述驱动芯片设置为三个，驱动芯片的高端控制引脚与半桥高边MOSFET管的G极相连，驱动芯片的低端控制引脚与半桥低边MOSFET管的G极相连。
3.根据权利要求1所述的起发一体的无人机微型混合动力系统，其特征在于：所述位置传感器为霍尔位置传感器。
4.根据权利要求1所述的起发一体的无人机微型混合动力系统，其特征在于：所述起发一体电机为永磁无刷直流电机。
5.根据权利要求1-4任一所述的起发一体的无人机微型混合动力系统的起动方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)电机控制器发出系统上电启动时，电源通过第一二极管给第一超级电容充电，同时，电源通过第二二极管给第二超级电容充电，为起发一体电机起动二冲程活塞发动机做准备；
(2)位置传感器获取起发一体电机转子初始位置，并传输给电机控制器；
(3)电机控制器获取起发一体电机转子初始位置后，施加相隔(120×P)°电角度的驱动电压矢量，其中P为起发一体电机转子的极对数，在二冲程活塞发动机的活塞下行至下止点时，双路继电器其中一路连通第一串联电路，触发脉冲使第一超级电容放电，二冲程活塞发动机的活塞越过下止点上行；
(4)电机控制器采集位置传感器的信号，获得起发一体电机转子的转动角度，当起发一体电机转子的转动角度为115°时，继续施加相隔(120×P)°电角度的驱动电压矢量，其中P为起发一体电机转子的极对数，在二冲程活塞发动机的活塞上行至上止点时，双路继电器另外一路连通第二串联电路，触发脉冲使第二超级电容放电，二冲程活塞发动机的活塞越过上止点下行；
(5)电机控制器采集位置传感器的信号，获得起发一体电机转子的转动角度，当起发一体电机转子的转动角度为125°时，起发一体电机进入六步换相驱动模式；
(6)电机控制器发出充电信号时，电源通过第一二极管给第一超级电容充电，同时，电源通过第二二极管给第二超级电容充电，为下一次起发一体电机起动二冲程活塞发动机做准备。
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