CN112193425A - 一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统及方法，所述系统包括无刷直流发电机、全桥LLC谐振变换电路、蓄电池组、DC/DC双向升降压电路、启动电机和检测及调理电路；所述全桥LLC谐振变换电路的一端与发电机连接，另一端与直流母线连接；所述无刷直流发电机与无人直升机的涡轮发动机相连；所述DC/DC双向升降压电路的一端与蓄电池组连接，另一端与直流母线连接；所述DC/DC双向升降压电路和蓄电池组之间电连接启动电机；所述全桥LLC谐振变换电路、DC/DC双向升降压电路和蓄电池组均与检测及调理电路的输入端连接；所述启动电机通过齿轮连接涡轮发动机。本发明提高了发电机供电范围，具有完善的故障诊断和保护功能，系统具有较高的可靠性。

Description

一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统及方法，属于无人直升机电源控制技术领域。
背景技术
无人直升机具有独特的飞行性能及使用价值，它具有无人员伤亡、体积小、造价低、战场生存力强、飞行中机动灵活、生存能力较强、机场适应性强等特点，因此，无人直升机无论在军事方面还是民用方面，都运用广泛。在军事方面，无人直升机既能执行各种非杀伤性任务，又能执行各种软硬杀伤性任务；在民用方面，无人直升机应用在大气监测、交通监控、资源勘探、电力线路检测、森林防火等方面。无人直升机一般通过蓄电池给启动电机供电，以此来驱动无人直升机的涡轮发动机，带动旋翼转动，同时涡轮发动机也带动发电机来给无人直升飞机电子载荷进行供电。但是，无人直升机电源控制系统目前还不够完善，且稳定性以及可靠性较差。
发明内容
针对以上不足，本发明的目的在于提供一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统及方法，以解决现有技术中存在的电源控制系统稳定性以及可靠性较差的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统，包括无刷直流发电机、全桥LLC谐振变换电路、蓄电池组、DC/DC双向升降压电路、启动电机和检测及调理电路；所述全桥LLC谐振变换电路的一端与发电机连接，另一端与直流母线连接；所述无刷直流发电机与无人直升机的涡轮发动机相连；所述DC/DC双向升降压电路的一端与蓄电池组连接，另一端与直流母线连接；所述DC/DC双向升降压电路和蓄电池组之间电连接启动电机；所述全桥LLC谐振变换电路、DC/DC双向升降压电路和蓄电池组均与检测及调理电路的输入端连接，所述启动电机通过齿轮连接涡轮发动机。
进一步的，还包括数字信号处理芯片和驱动电路；所述驱动电路的输入端与数字信号处理芯片通过引脚连接；所述驱动电路的输出端同时与全桥LLC谐振变换电路、DC/DC双向升降压电路连接；所述检测及调理电路的输出端与数字信号处理芯片通过引脚连接。
进一步的，所述启动电机连接有继电器；所述继电器的一端连接启动电机，另一端连接在DC/DC双向升降压电路和蓄电池组之间。
进一步的，所述直流母线还连接有电子载荷；所述电子载荷连接检测及调理电路的输入端。
一种无人直升机启动供电一体化电源控制方法，包括以下步骤：
获取启动无人直升机的启动信号；
启动电机根据启动信号启动涡轮发电机转动；
通过所述涡轮发电机的转动带动无刷直流发电机产生直流电压；
通过全桥LLC谐振变换电路将所述直流电压接到直流母线；
通过检测及调理电路获取蓄电池组的SOC值；
根据SOC值的判断通过直流母线对蓄电池组进行充放电。
进一步的，当蓄电池组的SOC值达到最低限值时，通过数字信号处理芯片控制DC/DC双向升降压电路工作在降压状态，实现对蓄电池组进行充电；
当蓄电池组的SOC值较高时，通过数字信号处理芯片控制DC/DC双向升降压电路工作在升压状态，实现对蓄电池组进行放电。
进一步的，所述全桥LLC谐振变换电路的输入电压和输出电压关系如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
式中，U 1 为输出电压，U 3 为输入电压，k为电感比例系数，f r 为谐振频率，Q为品质因数，f为全桥LLC谐振变换电路的开关频率。
所述无刷直流电机的转轴通过传送带与无人直升机的涡轮发动机转轴相连，无人直升机启动时，涡轮发动机的转动会带动无刷直流发电机的转动，达到一定转速时，无刷直流发电机产生直流电压。全桥LLC谐振变换电路的输入端与无刷直流发电机输出端连接，全桥LLC谐振变换电路的输出端与28V直流母线连接，全桥LLC谐振变换电路将无刷直流发电机输出的直流电压进行降压变换，得到28V直流电压。
当有启动无人直升机的控制信号给启动继电器时，继电器触点闭合，启动电机转动，启动电机通过齿轮连接到涡轮发动机，涡轮发动机转动，从而带动旋翼转动。
DC/DC双向升降压电路具体工作如下：
12V蓄电池向28V直流母线供电，则DC/DC双向升降压电路表现为升压电路，将12V直流电压变换成28V直流电压；28V直流母线向12V蓄电池供电，则DC/DC双向升降压电路表现为降压电路，将28V直流电压变换成12V直流电压。
本发明所达到的有益效果：
本发明提供的系统简化了启动供配电环节，有机的将供电系统和蓄电池组有机结合起来，可以有效提高发电机供电范围，并提供稳定的直流电源，具有完善的故障诊断和保护功能，系统可靠性较高，并易于实现，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统的系统框图；
图2是本发明的一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统的控制器连接图；
图3是本发明的电源控制系统的工作过程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统的系统框图，该系统通过无刷直流发电机、全桥LLC谐振变换电路、12V蓄电池组、DC/DC双向升降压电路，启动电机、数字信号处理芯片、检测及调理电路、驱动电路实现。
所述无刷直流发电机通过传送带与无人直升机的涡轮发动机相连，无刷直流发电机与全桥LLC谐振变换电路一端连接，全桥LLC谐振变换电路另一端与28V直流母线连接。12V蓄电池组与DC/DC双向升降压电路一端连接，DC/DC双向升降压电路另一端与28V直流母线连接；同时，12V蓄电池组也与启动电机的继电器一端相连，继电器的另一端与启动电机连接；检测及调理电路分别与全桥LLC谐振变换电路、DC/DC双向升降压电路、12V蓄电池组、电子载荷连接，驱动电路分别与全桥LLC谐振变换电路、DC/DC双向升降压电路连接。
所述全桥LLC谐振变换电路采用电压电流双环控制，通过控制给定输出电压的值，使得全桥LLC谐振变换电路输出电压为给定值，全桥LLC谐振变换电路的输出电压为U 1 ，输入电压为U 3 ，输入电压和输出电压具体关系如下：
Figure 827053DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
——电感比例系数，L m 为变压器励磁电感，L r 为谐振电感；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
——谐振频率，C r 为谐振电容；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
——品质因数，n为变压器变比，R L 为全桥LLC谐振变换电路所接负载；f——全桥LLC谐振变换电路的开关频率。
如图2所示，一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统的控制器连接图，该部分主要包含检测及调理电路、驱动电路、数字信号处理芯片组成，驱动电路的输入端与数字信号处理芯片的引脚（PWM0-PWM5）连接，其中PWM0-PWM3这四路信号经过驱动电路与全桥LLC谐振变换电路连接，驱动全桥LLC谐振变换电路的功率管，PWM4-PWM5这两路信号经过驱动电路与DC/DC双向升降压电路连接，驱动DC/DC双向升降压电路的功率管；全桥LLC谐振变换电路的输入端电压u 3 ，全桥LLC谐振变换电路的输出端电压u 1 、电流i 1 ，DC/DC双向升降压电路与直流母线连接端的电压u 2 、电流i 2 ，12V蓄电池组输出端的电压u s ，与直流母线相接的电子载荷的电流i L1 、i L2 ，它们作为检测及调理电路的输入信号，同时，检测及调理电路的输出端与数字信号处理芯片的引脚（ADC0-ADC7）连接，其中u 1 、u 3 、u 2 、u s 经过检测调理电路与数字信号处理芯片的ADC0-ADC3连接，i 1 、i 2 、i L1 、i L2 经过检测调理电路与数字信号处理芯片的ADC4-ADC7连接。
所述全桥LLC谐振变换电路的输出端电流i 1 、DC/DC双向升降压电路与直流母线连接端的电流i 2 、电子载荷的电流i L1 、i L2 ，它们的关系如下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
当
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为正（流向直流母线）时，通过控制数字处理芯片输出的PWM波形，使得DC/DC双向升降压电路工作在升压状态，12V蓄电池组输出电流，处于放电状态；
当
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
为负（从直流母线流出）时，通过控制数字处理芯片输出的PWM波形，使得DC/DC双向升降压电路工作在降压状态，12V蓄电池组流进电流，工作在充电状态。
如图3所示，是电源控制系统的工作过程图。当有启动无人直升机的信号时，继电器开关闭合，启动电机启动，涡轮发电机转动，旋翼转动，当达到一定转速时，无刷直流发电机产生直流电压，经过全桥LLC谐振变换电路变换成28V直流，接到直流母线，通过对蓄电池组SOC值的判断，对DC/DC双向升降压电路进行如下控制：
当蓄电池组的SOC达到最低限值时，通过控制器给出的PWM信号控制DC/DC双向升降压电路工作在降压状态，完成电压变换，实现对蓄电池组进行充电，提高蓄电池SOC值；
当蓄电池组的SOC的值较高时，通过控制器给出的PWM信号控制DC/DC双向升降压电路工作在升压状态，完成电压变换，实现对蓄电池组进行放电，蓄电池SOC值降低，并且实现对直流母线输入、输出功率的控制。
本发明提供的系统简化了启动供配电环节，可以有效提高发电机供电范围，并提供稳定的直流电源，具有完善的故障诊断和保护功能，系统可靠性较高，并易于实现，具有良好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统，其特征在于，包括无刷直流发电机、全桥LLC谐振变换电路、蓄电池组、DC/DC双向升降压电路、启动电机和检测及调理电路；所述全桥LLC谐振变换电路的一端与发电机连接，另一端与直流母线连接；所述无刷直流发电机与无人直升机的涡轮发动机相连；所述DC/DC双向升降压电路的一端与蓄电池组连接，另一端与直流母线连接；所述DC/DC双向升降压电路和蓄电池组之间电连接启动电机；所述全桥LLC谐振变换电路、DC/DC双向升降压电路和蓄电池组均与检测及调理电路的输入端连接；所述启动电机通过齿轮连接涡轮发动机。
2.根据权利要求1所述的一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统，其特征在于，还包括数字信号处理芯片和驱动电路；所述驱动电路的输入端与数字信号处理芯片通过引脚连接；所述驱动电路的输出端同时与全桥LLC谐振变换电路、DC/DC双向升降压电路连接；所述检测及调理电路的输出端与数字信号处理芯片通过引脚连接。
3.根据权利要求1所述的一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统，其特征在于，所述启动电机连接有继电器；所述继电器的一端连接启动电机，另一端连接在DC/DC双向升降压电路和蓄电池组之间。
4.根据权利要求1所述的一种无人直升机启动供电一体化电源控制系统，其特征在于，所述直流母线还连接有电子载荷；所述电子载荷连接检测及调理电路的输入端。
5.一种无人直升机启动供电一体化电源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取启动无人直升机的启动信号；
启动电机根据启动信号启动涡轮发电机转动；
通过所述涡轮发电机的转动带动无刷直流发电机产生直流电压；
通过全桥LLC谐振变换电路将所述直流电压接到直流母线；
通过检测及调理电路获取蓄电池组的SOC值；
根据SOC值的判断通过直流母线对蓄电池组进行充放电。
6.根据权利要求5所示的一种无人直升机启动供电一体化电源控制方法，其特征在于，当蓄电池组的SOC值达到最低限值时，通过数字信号处理芯片控制DC/DC双向升降压电路工作在降压状态，实现对蓄电池组进行充电；
当蓄电池组的SOC值较高时，通过数字信号处理芯片控制DC/DC双向升降压电路工作在升压状态，实现对蓄电池组进行放电。
7.根据权利要求5所示的一种无人直升机启动供电一体化电源控制方法，其特征在于，所述全桥LLC谐振变换电路的输入电压和输出电压关系如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，U 1 为输出电压，U 3 为输入电压，k为电感比例系数，f r 为谐振频率，Q为品质因数，f为全桥LLC谐振变换电路的开关频率。
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