CN113904505B - 一种大功率永磁同步发电机电源系统及控制方法 - Google Patents

一种大功率永磁同步发电机电源系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统及控制方法，包括永磁同步发电机、三相Boost全桥、控制电路、辅助电源、电流传感器、直流母线Vz、输出直流母线Vo以及DC/DC模块，本控制方法根据永磁同步发电机的霍尔位置信号，三相电流信号，直流母线电压，控制电路产生三相Boost全桥的驱动信号，控制三相Boost全桥将永磁同步发电机提供的变压变频交流电转化为270V直流电，并通过DC/DC模块将270V直流电转化28V直流电，还可通过多个DC/DC模块并联来扩大输出功率，适合于输出28V、功率为4kW以上的LVDC航空电源系统，可应用于航空无人机上。

Description

一种大功率永磁同步发电机电源系统及控制方法
技术领域
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统及控制方法。
背景技术
对于航空无人机，通过采用28V低压直流来为机载设备供电。无人机的用电功率正在由4kW以下向4～8kW提升。发动机通常会工作在2倍转速范围内。
永磁同步发电机电源系统包括永磁同步发电机和电源两部分，永磁同步发电机用于将发动机提供的机械能转化为变压变流的交流电能，电源用于将变压变流的交流电能转化为28V稳压直流来给航空无人机上的设备供电。电源包括AC/DC级和DC/DC级，AC/DC级实现变压变频交流到直流电压转化，DC/DC级用于实现整流后直流电到输出28V直流的转化。
航空航天领域对体积和重量较为敏感，如果能提高永磁同步发电机电源系统的效率，使永磁同步发电机电源系统的体积和重量大幅减小，将使永磁同步发电机电源系统具有显著的应用价值。
对于功率大于4kW的航空无人机用的永磁同步发电机电源系统，现有技术的永磁同步发电机和电源通常以下三种方案：
1、永磁同步发电机输出电压仍然为低压，电源采用非隔变换器拓扑；
2、永磁同步发电机输出为高压，电源AC/DC级采用二极管不控制整流将电机输出的变压变频交流转化为变压直流，然后电源DC/DC级通过隔离DC/DC变换器将变压高压直流转化为28V稳压直流；
3、永磁同步发电机输出为高压，电源AC/DC级采用数字控制的SVPWM将电机输出的变压变频交流转化为稳压高压直流，然后电源DC/DC级通过隔离DC/DC变换器将高压直流转化为28V稳压直流。
对于方案1，当功率大于4kW以上时，永磁同步发电机的电枢电流和电源的输入端电流均很大，工程实现较为困难；同时，由于单个宽输入范围的非隔离DC/DC模块功率较小，当输出功率大于4kW时，实现稳压的非隔变换器将需要采用较多的电源模块并联，会使并联模块数量超过8个，显著降低电源模块并联的可靠性。
对于方案2，当电源的隔离DC/DC级采用一级拓扑时，功率管和变压器需要同时兼顾高转速时的高压和低转速时大电流，使得一级DC/DC变换器实现难度高，且效率低、体积大。当电源的隔离DC/DC级采用两级拓扑时，电路复杂度较高。
对于方案3，AC/DC级需要采用数字控制才能实现电机输出的变压变频交流转化为稳压高压直流，控制算法较为复杂，对数字控制器的资源要求较高，同时数字控制系统的成本也较高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统及控制方法。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统，包括永磁同步发电机、三相Boost全桥、控制电路、辅助电源、电流传感器、直流母线Vz、输出直流母线Vo以及DC/DC模块，所述永磁同步发电机的三相输出A、B和C经三相Boost全桥与直流母线Vz的正极和负极连接；所述DC/DC模块为多个且多个DC/DC模块为并联连接，直流母线Vz的正极和负极经多个DC/DC模块与输出直流母线Vo的正极和负极连接；所述辅助电源的输入正极和输入负极与分别与直流母线Vz的正极和负极连接，辅助电源的输出端与控制电路的供电输入端连接；所述电流传感器为三个，其功率端分别与永磁同步发电机的三相输出A、B和C连接，所述三个电流传感器的输出端与控制电路连接；所述永磁同步发电机的霍尔位置信号端与控制电路连接，所述控制电路输出的驱动信号端与三相Boost全桥连接。
进一步的，所述三相Boost全桥，包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂和滤波电容Cdc，所述A相桥臂、B相桥臂与C相桥臂均由一个二极管与一个IGBT管组成；所述永磁同步发电机A端与A相桥臂上部二极管DA的阳极和下部IGBT管QA的集电极连接，A相桥臂上部二极管DA的阴极与直流母线Vz的正极连接，A相桥臂下部IGBT管QA的发射极E与直流母线Vz的负极连接；永磁同步发电机B端与B相桥臂上部二极管DB的阳极和下部IGBT管QB的集电极连接，B相桥臂上部二极管DB的阴极与直流母线Vz的正极连接，B相桥臂下部IGBT管QB的发射极E与直流母线Vz的负极连接；永磁同步发电机C端与C相桥臂上部二极管DC的阳极和下部IGBT管QC的集电极C连接，C相桥臂上部二极管DC的阴极与直流母线Vz的正极连接，C相桥臂下部IGBT管QC的发射极E与直流母线Vz的负极连接，滤波电容Cdc两端分别与直流母线Vz的正极和负极连接构成。
进一步的，所述控制电路包括第一输出集电极开路比较器CA、第二输出集电极开路比较器CB、第三输出集电极开路比较器CC以及一个非门，所述第一输出集电极开路比较器CA、第二输出集电极开路比较器CB以及第三输出集电极开路比较器CC的同相输入端接入正电流阀值参考信号Imax；所述永磁同步发电机的A相电流信号iA与第一输出集电极开路比较器CA的反相输入端连接，永磁同步发电机的B相电流信号iB与第二输出集电极开路比较器CB的反相输入端连接，永磁同步发电机的C相电流信号iC与第三输出集电极开路比较器CC的反相输入端连接，第一输出集电极开路比较器CA、第二输出集电极开路比较器CB、第三输出集电极开路比较器CC的供电电源Vcc经一个电阻与第一输出集电极开路比较器CA、第二输出集电极开路比较器CB、第三输出集电极开路比较器CC的输出端以及非门的输入端连接，非门的输出端输出过流信号Ishut。
进一步的，所述控制电路包括电压环、比较器C、RS触发器、与门和选通器；所述电压环的同相输入端接入稳压参考值Vref，电压环的反相输入端与直流母线Vz连接，电压环输出端与比较器C的同相输入端连接；比较器C的反相输入端输入一个三角波信号Vtri，输出端分别与RS触发器的输入端和与门的一输入端连接；过流信号Ishut接入RS触发器的输入端，RS触发器的输出端输出使能信号En至与门的另一输入端；与门输出信号端与选通器的输入端连接，永磁同步发电机的霍尔位置信号PA、PB和PC与选通器的控制端连接，选通器输出端输出三路驱动信号GA、GB、GC至三相Boost全桥。
进一步的，所述DC/DC模块均包括逆变器、变压器、整流器、滤波器、稳压控制电路、电流传感器以及电压检测电路，所述直流母线Vz的正极和负极连接至逆变压器的输入端，逆变压器与变压器、整流器和滤波器依次连接，输出直流母线Vo与滤波器的正负极与滤波器的正负极对应连接；电压检测电路的输入端与输出直流母线Vo的正极和负极连接，电压检测电路的输出信号至稳压控制电路；所述整流器输出端正极连接有一个电流传感器，所述电流传感器的输出信号与稳压控制电路连接，稳压控制电路输出驱动信号与逆变器连接。
进一步的，所述永磁同步发电机的最高发电转速、空载下对应的三相绕组线电压峰值为230V。
进一步的，所述永磁同步电机向控制电路提供的三路霍尔位置信号，以电压上升降段过零点为0°参考，霍尔位置信号PA、PB和PC分别在A相、B相和C相电压30°～210°范围内输出低电平，0°～30°和210°～360°范围内输出高电平。
航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤10，控制电路对三相Boost全桥进行控制，使三相Boost全桥输出至多个DC/DC模块的直流母线Vz稳定在270V：
步骤11，将最大电流信号Imax设置为永磁同步发电机满载功率下对应的最大电流峰值，并留有一定裕量；
步骤12，当三相电流iA、iB和iC中任意一个大于Imax时，使过流信号Ishut为高，其余时刻，过流信号Ishut维持为低；
步骤13，根据稳压参考信号Vref和直流母线Vz，通过电压环的PI调节器计算得到控制信号err；
步骤14，控制信号err和三角波信号Vtri分别送比较器C的同相和反相输入端，用于产生原始占空比信号Draw；
步骤15，将原始占空比信号Draw和过流信号Ishut分别送RS触发器的S和R输入端，RS触发器的Q端输出使能信号En，当Draw由低到高时，En＝1，当Ishut由低到高时，En＝0；
步骤16，将原始占空比信号Draw和使能信号En分别送到与门的输入端，通过与门输出占空比信号D；
步骤17，将占空比信号D送到选通器的输入端，将霍尔位置信号PA、PB和PC送到选通器的控制端，
当PAPBPC＝01x时，驱动信号GA＝D，其余状态GA＝0；
当PAPBPC＝x01时，驱动信号GB＝D，其余状态GB＝0；
当PAPBPC＝1x0时，驱动信号GC＝D，其余状态GC＝0；
上述表述中，x表示不管该逻辑状态为0或1均不影响判断；
步骤18，将驱动信号GA、GB和GC分别连接到三相Boost全桥QA、QB和QC的栅极，形成对三相Boost全桥输出电压的控制；
步骤20，多个DC/DC模块接收来自直流母线Vz，将270V直流转化为28V直流，并输出至输出直流母线Vo。
进一步的，在步骤20中，可通过调节DC/DC模块的数量调节输出直流母线Vo的输出功率。
本发明的有益效果在于：
1、提出的一种航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统及设计方法，适合于输出28V、功率为4kW以上的LVDC航空电源系统，可应用于航空无人机。
2、永磁同步发电机输出采用高压，相对于发电机输出低压+非隔离变换器的方案，永磁同步发电机的电枢电流和电源的输入端电流均大幅降低，工程实现难度显著降低，AC/DC级整流管的导通损耗显著降低，发电机与输出具有电气隔离。
3、永磁发电机采用直流无刷结构，相对于正弦波同步电机，更适合电源AC/DC级采用模拟方式实现。
4、电源的AC/DC级采用三相Boost全桥，相对二极管全桥，AC/DC级具有稳压功能，可以显著降DC/DC级的电源变换难度，相对于三相全桥，AC/DC级可以通过模拟控制实现，电路复杂度及成本显著低于数字SVPWM控制方式，同时，不存在桥臂直通风险。
5、电源的AC/DC级利用发电机电感实现整流级的稳压，有效降低了电源中的磁性元件重量。
6、电源DC/DC级主要负责母线电压变换，电压输入范围较小，相对于宽输入的DC/DC级，单个DC/DC模块功率密度提高达30％以上，且效率高，输出纹波小，成本低。
7、由于DC/DC级的输入范围较窄，故相同体积和重量下，单个DC/DC模块可以实现更高功率，相同功率下可减小DC/DC模块的并联个数，提高并联可靠性，相同并联模块数下，可以实现更高的输出功率。
附图说明
图1为本发明永磁同步发电机电源系统结构框图；
图2为本发明三相Bost全桥电路图；
图3为本发明控制电路中过流信号产生电路图；
图4为本发明控制电路中三相Bost全桥的驱动信号产生电路图；
图5为本发明任意一个DC/DC模块的结构框图；
图6为本发明霍尔位置信号PA、PB和PC与电机电压的对应关系图；
图7为本发明控制电路的主要波形图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
本实施例为8kW永磁同步发电机电源系统，永磁同步发电机电源系统包括永磁同步发电机和电源两部分。永磁同步发电机由无人机发动机提供机械转速输入。永磁同步发电机的最高发电转速为最低发电机转速的2倍。电源输出为28VDC，输出功率为8kW。实施例应用背景为航空无人机，机载设备采用28V的LVDC电源系统。
图1所示永磁同步发电机电源系统结构框图，一种航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统装置，包括永磁同步发电机，三相Boost全桥，控制电路，辅助电源，电流传感器SA、SB、SC，DC/DC模块1、2……n；是由永磁同步发电机的三相输出A、B和C经三相Boost全桥与直流母线Vz的正极和负极连接，直流母线Vz的正极和负极经DC/DC模块1、2……n与输出直流母线Vo的正极和负极连接，辅助电源的输入正极和负极与直流母线Vz的正极和负极连接，辅助电源的输出与控制电路的供电输入端连接，直流母线Vz的正极和负极与控制电路连接，电流传感器SA、SB、SC的功率端分别与永磁同步发电机的输出A、B和C连接，电流传感器SA、SB、SC的输出端iA、iB、iC与控制电路连接，永磁同步发电机的霍尔位置信号PA、PB和PC与控制电路连接，控制电路输出的三路驱动信号G别与三相Boost全桥连接构成。
辅助电源基于PI公司的LYT6070C芯片实现，该芯片是集成功率管和控制电路的反激电压变换器芯片，功率管GaN开关管，效率高。电流传感器SA、SB、和SC采用Allegro公司的ACS781KLRTR-150B-T芯片实现，量程范围为-150A～+150A，大小仅为6.4mm×6.4mm。采用DC-DC模块的数量为5个。
图2所示为三相Bost全桥电路图。所述三相Boost全桥，包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂和滤波电容Cdc，是由永磁同步发电机A端与A相桥臂上部二极管DA的阳极A和下部IGBT管QA的集电极C连接，A相桥臂上部二极管DA的阴极C与直流母线Vz的正极连接，A相桥臂下部IGBT管QA的发射极E与直流母线Vz的负极连接，永磁同步发电机B端与B相桥臂上部二极管DB的阳极A和下部IGBT管QB的集电极C连接，B相桥臂上部二极管DB的阴极C与直流母线Vz的正极连接，B相桥臂下部IGBT管QB的发射极E与直流母线Vz的负极连接，永磁同步发电机C端与C相桥臂上部二极管DC的阳极A和下部IGBT管QC的集电极C连接，C相桥臂上部二极管DC的阴极C与直流母线Vz的正极连接，C相桥臂下部IGBT管QC的发射极E与直流母线Vz的负极连接，滤波电容Cdc两端分别与直流母线Vz的正极和负极连接构成。
A相、B相和C相桥臂采用infineon公司的六管IGBT模块FS400R07A3E3。滤波电容Cdc采用5支EACO公司的SHB-500-35-4F#薄膜电容并联，单支电容耐压500V、35μF，大小为42.5×30×45mm，可承受17A纹波电流有效值。
电源的AC/DC级采用三相Boost全桥，相对二极管全桥，AC/DC级具有稳压功能，可以显著降DC/DC级的电源变换难度，相对于三相全桥，AC/DC级可以通过模拟控制实现，电路复杂度及成本显著低于数字SVPWM控制方式，同时，不存在桥臂直通风险。电源的AC/DC级利用发电机电感实现整流级的稳压，有效降低了电源中的磁性元件重量。
图3所示为控制电路中过流信号产生电路图。所述控制电路产生过流信号Ishut的电路包括输出集电极开路比较器CA、CB、CC，非门；是由正电流阀值参考信号Imax与比较器CA、CB、CC的同相输入端连接，A相电流信号iA与比较器CA的反相输入端连接，B相电流信号iB与比较器CB的反相输入端连接，C相电流信号iC与比较器CC的反相输入端连接，比较器供电电源Vcc经电阻R与比较器CA、CB、CC的输出端和非门的输入端连接，非门的输出端与过流信号Ishut连接构成。
非门可通过比较器实现替代功能，比较器CA、CB、CC和非门采用ADI公司的四轨至轨比较器芯片ADCMP393ARZ实现。
图4所示为控制电路中三相Bost全桥的驱动信号产生电路图。所述控制电路产生驱动信号GA、GB、GC的电路包括电压环、比较器C、RS触发器、与门和选通器；是由稳压参考值Vref与电压环的同相输入端连接，直流母线Vz与电压环的反相输入端连接，电压环输出err与比较器C的同相输入端连接，三角波信号Vtri与比较器C的反相输入端连接，比较器C的输出Draw分别与RS触发器的输入端S和与门的一输入端连接，过流信号Ishut与RS触发器的输入端R连接，RS触发器的输出端Q输出使能信号En和与门的另一输入端连接，与门输出信号D与选通器的输入端连接，霍尔位置信号PA、PB和PC与选通器的控制端连接，选通器输出端分别与驱动信号GA、GB、GC连接构成。
驱动信号产生电路可以采用ON公司的无刷直流电机控制芯片NCV33035DWR2实现。
图5所述为任意一个DC/DC模块x的结构框图。所述DC/DC模块1、2……n的电路结构相同，对于任意一DC/DC模块x，x＝1、2……n，包括逆变器、变压器、整流器、滤波器、稳压控制电路、电流传感器，电压检测电路；是由直流母线Vz的正极和负极经逆变压器、变压器、整流器和滤波器与直流母线Vo的正极和负极连接，电压检测电路的输入端与直流母线Vo的正极和负极连接，电压检测电路的输出信号Vx与稳压控制电路连接，电流传感器功率端与整流器输出正极连接，电流传感器输出信号Ix与稳压控制电路连接，稳压控制电路输出驱动信号与逆变器连接构成。
DC/DC模块采用升华公司的SMN2702KH28S，大小为119×63.1×13mm，重量为360g。输出电压为28V，功率为2kW，典型效率96.5％。
电源DC/DC级主要负责母线电压变换，电压输入范围较小，相对于宽输入的DC/DC级，单个DC/DC模块功率密度提高达30％以上，且效率高，输出纹波小，成本低。由于DC/DC级的输入范围较窄，故相同体积和重量下，单个DC/DC模块可以实现更高功率，相同功率下可减小DC/DC模块的并联个数，提高并联可靠性，相同并联模块数下，可以实现更高的输出功率。
永磁发电机采用直流无刷结构，永磁同步发电机的最高发电转速、空载下对应的三相绕组线电压峰值为230V。永磁同步发电机输出采用高压，相对于发电机输出低压+非隔离变换器的方案，永磁同步发电机的电枢电流和电源的输入端电流均大幅降低，工程实现难度显著降低，AC/DC级整流管的导通损耗显著降低，发电机与输出具有电气隔离。永磁发电机采用直流无刷结构，相对于正弦波同步电机，更适合电源AC/DC级采用模拟方式实现。
图6所示霍尔位置信号PA、PB和PC与电机电压的对应关系图。永磁同步电机向控制电路提供的三路霍尔位置信号，以电压上升降段过零点为0°参考，霍尔位置信号PA、PB和PC分别在A相、B相和C相电压30°～210°范围内输出低电平，0°～30°和210°～360°范围内输出高电平。
通过辅助电源实现对控制电路的供电。
使用该电源系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤10，控制电路对三相Boost全桥进行控制，使三相Boost全桥输出至多个DC/DC模块的直流母线Vz稳定在270V。
图7所示为控制电路的主要波形图。结合图7对所述的控制电路产生三相Boost全桥功率管驱动信号GA、GB和GC进行说明，包括以下步骤：
步骤11，将最大电流信号Imax设置为永磁同步发电机满载功率下对应的最大电流峰值，并留有一定裕量。
步骤12，当三相电流iA、iB和iC中任意一个大于Imax时，使过流信号Ishut为高，其余时刻，过流信号Ishut维持为低。
步骤13，根据稳压参考信号Vref和直流母线Vz，通过电压环的PI调节器计算得到控制信号err。
步骤14，控制信号err和三角波信号Vtri分别送比较器C的同相和反相输入端，用于产生原始占空比信号Draw。
步骤15，将原始占空比信号Draw和过流信号Ishut分别送RS触发器的S和R输入端，RS触发器的Q端输出使能信号En，当Draw由低到高时，En＝1，当Ishut由低到高时，En＝0。
步骤16，将原始占空比信号Draw和使能信号En分别送到与门的输入端，通过与门输出占空比信号D。
步骤17，将占空比信号D送到选通器的输入端，将霍尔位置信号PA、PB和PC送到选通器的控制端，
当PAPBPC＝01x时，驱动信号GA＝D，其余状态GA＝0；
当PAPBPC＝x01时，驱动信号GB＝D，其余状态GB＝0；
当PAPBPC＝1x0时，驱动信号GC＝D，其余状态GC＝0；
上述表述中，x表示不管该逻辑状态为0或1均不影响判断。
步骤18，将驱动信号GA、GB和GC分别连接到三相Boost全桥QA、QB和QC的栅极，形成对三相Boost全桥输出电压的控制。
步骤20，多个DC/DC模块接收来自直流母线Vz，将270V直流转化为28V直流，并输出至输出直流母线Vo。
在步骤20中，可通过调节DC/DC模块的数量调节输出直流母线Vo的输出功率。

Claims (6)

1.一种航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统，其特征在于：包括永磁同步发电机、三相Boost全桥、控制电路、辅助电源、电流传感器、直流母线Vz、输出直流母线Vo以及DC/DC模块，所述永磁同步发电机的三相输出A、B和C经三相Boost全桥与直流母线Vz的正极和负极连接；所述DC/DC模块为多个且多个DC/DC模块为并联连接，直流母线Vz的正极和负极经多个DC/DC模块与输出直流母线Vo的正极和负极连接；所述辅助电源的输入正极和输入负极与分别与直流母线Vz的正极和负极连接，辅助电源的输出端与控制电路的供电输入端连接；所述电流传感器为三个，其功率端分别与永磁同步发电机的三相输出A、B和C连接，所述三个电流传感器的输出端与控制电路连接；所述永磁同步发电机的霍尔位置信号端与控制电路连接，所述控制电路输出的驱动信号端与三相Boost全桥连接；所述控制电路包括第一输出集电极开路比较器CA、第二输出集电极开路比较器CB、第三输出集电极开路比较器CC以及一个非门，所述第一输出集电极开路比较器CA、第二输出集电极开路比较器CB以及第三输出集电极开路比较器CC的同相输入端接入正电流阀值参考信号Imax；所述永磁同步发电机的A相电流信号iA与第一输出集电极开路比较器CA的反相输入端连接，永磁同步发电机的B相电流信号iB与第二输出集电极开路比较器CB的反相输入端连接，永磁同步发电机的C相电流信号iC与第三输出集电极开路比较器CC的反相输入端连接，第一输出集电极开路比较器CA、第二输出集电极开路比较器CB、第三输出集电极开路比较器CC的供电电源Vcc经一个电阻与第一输出集电极开路比较器CA、第二输出集电极开路比较器CB、第三输出集电极开路比较器CC的输出端以及非门的输入端连接，非门的输出端输出过流信号Ishut；所述控制电路包括电压环、比较器C、RS触发器、与门和选通器；所述电压环的同相输入端接入稳压参考值Vref，电压环的反相输入端与直流母线Vz连接，电压环输出端与比较器C的同相输入端连接；比较器C的反相输入端输入一个三角波信号Vtri，输出端分别与RS触发器的输入端和与门的一输入端连接；过流信号Ishut接入RS触发器的输入端，RS触发器的输出端输出使能信号En至与门的另一输入端；与门输出信号端与选通器的输入端连接，永磁同步发电机的霍尔位置信号PA、PB和PC与选通器的控制端连接，选通器输出端输出三路驱动信号GA、GB、GC至三相Boost全桥；所述三相Boost全桥，包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂和滤波电容Cdc，所述A相桥臂、B相桥臂与C相桥臂均由一个二极管与一个IGBT管组成；所述永磁同步发电机A端与A相桥臂上部二极管DA的阳极和下部IGBT管QA的集电极连接，A相桥臂上部二极管DA的阴极与直流母线Vz的正极连接，A相桥臂下部IGBT管QA的发射极E与直流母线Vz的负极连接；永磁同步发电机B端与B相桥臂上部二极管DB的阳极和下部IGBT管QB的集电极连接，B相桥臂上部二极管DB的阴极与直流母线Vz的正极连接，B相桥臂下部IGBT管QB的发射极E与直流母线Vz的负极连接；永磁同步发电机C端与C相桥臂上部二极管DC的阳极和下部IGBT管QC的集电极C连接，C相桥臂上部二极管DC的阴极与直流母线Vz的正极连接，C相桥臂下部IGBT管QC的发射极E与直流母线Vz的负极连接，滤波电容Cdc两端分别与直流母线Vz的正极和负极连接构成。
2.如权利要求1所述的航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统，其特征在于：所述DC/DC模块均包括逆变器、变压器、整流器、滤波器、稳压控制电路、电流传感器以及电压检测电路，所述直流母线Vz的正极和负极连接至逆变压器的输入端，逆变压器与变压器、整流器和滤波器依次连接，输出直流母线Vo与滤波器的正负极与滤波器的正负极对应连接；电压检测电路的输入端与输出直流母线Vo的正极和负极连接，电压检测电路的输出信号至稳压控制电路；所述整流器输出端正极连接有一个电流传感器，所述电流传感器的输出信号与稳压控制电路连接，稳压控制电路输出驱动信号与逆变器连接。
3.如权利要求1所述的航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统，其特征在于：所述永磁同步发电机的最高发电转速、空载下对应的三相绕组线电压峰值为230V。
4.如权利要求1所述的航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统及控制方法，其特征在于：所述永磁同步发电机向控制电路提供的三路霍尔位置信号，以电压上升降段过零点为0°参考，霍尔位置信号PA、PB和PC分别在A相、B相和C相电压30°～210°范围内输出低电平，0°～30°和210°～360°范围内输出高电平。
5.如权利要求1所述的航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤10，控制电路对三相Boost全桥进行控制，使三相Boost全桥输出至多个DC/DC模块的直流母线Vz稳定在270V，具体为：
步骤11，将最大电流信号Imax设置为永磁同步发电机满载功率下对应的最大电流峰值，并留有一定裕量；
步骤12，当三相电流iA、iB和iC中任意一个大于Imax时，使过流信号Ishut为高，其余时刻，过流信号Ishut维持为低；
步骤13，根据稳压参考信号Vref和直流母线Vz，通过电压环的PI调节器计算得到控制信号err；
步骤14，控制信号err和三角波信号Vtri分别送比较器C的同相和反相输入端，用于产生原始占空比信号Draw；
步骤15，将原始占空比信号Draw和过流信号Ishut分别送RS触发器的S和R输入端，RS触发器的Q端输出使能信号En，当Draw由低到高时，En＝1，当Ishut由低到高时，En＝0；
步骤16，将原始占空比信号Draw和使能信号En分别送到与门的输入端，通过与门输出占空比信号D；
步骤17，将占空比信号D送到选通器的输入端，将霍尔位置信号PA、PB和PC送到选通器的控制端，
当PAPBPC＝01x时，驱动信号GA＝D，其余状态GA＝0；
当PAPBPC＝x01时，驱动信号GB＝D，其余状态GB＝0；
当PAPBPC＝1x0时，驱动信号GC＝D，其余状态GC＝0；
上述表述中，x表示不管该逻辑状态为0或1均不影响判断；
步骤18，将驱动信号GA、GB和GC分别连接到三相Boost全桥QA、QB和QC的栅极，形成对三相Boost全桥输出电压的控制；
步骤20，多个DC/DC模块接收来自直流母线Vz，将270V直流转化为28V直流，并输出至输出直流母线Vo。
6.如权利要求5所述的航空低压直流用的大功率永磁同步发电机电源系统的控制方法，其特征在于：在步骤20中，可通过调节DC/DC模块的数量调节输出直流母线Vo的输出功率。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN102158163A (zh) * 2011-03-16 2011-08-17 南京航空航天大学 永磁双凸极电机可控整流发电系统
CN110311578A (zh) * 2019-07-23 2019-10-08 重庆和诚电器有限公司 一种摩托车磁电机输出电压分段整流方法及调压器
CN111934569A (zh) * 2020-06-30 2020-11-13 贵州航天林泉电机有限公司 一种高速发电机供电的脉冲电源变换器及其变换方法
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