一种油电混合无人机能源系统的电子控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种油电混合无人机能源系统的电子控制系统及其控制方法，属于能源系统控制技术领域。

背景技术：

多旋翼无人机是近年来兴起的一种无人飞行器，其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。其结构简单、维护方便、价格相对较低，因而在很多场合得到应用，如航拍、植保、电力巡线等领域。但现有的多旋翼无人机主要由电力驱动，电能来源为机载电池，受电池技术影响，续航时间极为有限。通常搭载任务载荷以后飞行时间只能达到20分钟左右，极大限制了其应用场景，难以满足行业用户对于续航时间和航程的需求。在这样的背景下，国内外各厂商先后推出了数种油电混合多旋翼无人机能源装置，通过燃油发动机发电供给无人机飞行，可以将多旋翼无人机的续航时间延长到小时级水平。但燃油发动机可靠性与稳定性相对电池而言存在不足，容易出现故障导致功率不足甚至熄火，转速稳定性也较差，故需要良好的电子控制系统来提升能源系统的稳定性与可靠性，并降低能源消耗，改善能源转换效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以精确控制发动机转速，能源转换效率高以及提供故障冗余的电子控制系统，可以显著提高该类能源系统的稳定性与可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种油电混合无人机能源系统的电子控制系统，能源系统包括与油缸连接的发动机、与发动机连接的发电机、备用电池以及升力电机，所述电子控制系统包括发动机工况采集模块、发电机电压电流采样模块以及发动机控制单元，所述发动机控制单元包括发动机油门开度控制模块与发动机喷油量控制模块，所述发动机油门开度控制模块包括第一前馈控制模块以及第一反馈控制模块，所述第一前馈控制模块接收所述发动机工况采集模块采集的初始油门信号以及发电机电压电流采样模块采集的电流值，计算生成油门信号的粗略值，输出给所述第一反馈控制模块，所述第一反馈控制模块接收所述发动机工况采集模块采集的点火信号以及发电机电压电流采样模块采集的电压值，计算得到发动机油门信号的修正值，将此值发送给电子调速器；

所述发动机喷油量控制模块包括第二前馈控制模块、第二反馈控制模块以及工况修正模块，所述第二前馈控制模块接收所述发动机油门开度的修正值，根据预先标定的喷油量表得到喷油量初始值，输出给所述第二反馈控制模块，所述第二反馈控制模块接收所述发动机工况采集模块采集的当前的发动机运行工况信息，计算得出基准喷油量，输出给所述工况修正模块，所述工况修正模块接收所述发电机电压电流采样模块采集的电压、电流值，计算得到喷油量的修正值，将此值发送给电子喷油嘴。

所述发动机工况采集模块包括飞行控制器、节气门开度传感器、进气压力传感器、大气气压传感器、缸温传感器以及进排气温度传感器，所述发电机电压电流采样模块为模拟信号采样电路。

所述发电机、所述备用电池以及所述升力电机之间采用三路双向电源混合拓扑电路，使所述发电机以及所述备用电池可以单独或混合为所述升力电机供电。

所述发电机与所述升力电机之间串联一组并联的MOS管与二极管，所述发电机与所述备用电池之间串联一组并联的MOS管、二极管以及恒流电源，所述备用电池以及所述升力电机之间串联一组并联的MOS管与二极管。

所述发电机与所述备用电池之间设有电能混合模块，所述电能混合模块输出端与所述升力电机连接。

所述发电机与所述备用电池之间设有双向整流电路，所述双向整流电路由六组并联的MOS管与二极管构成的两组三相全桥电路并联组成功率级，所述双向整流电路与所述发电机电压电流采样模块以及MCU连接，组成控制级，所述MCU根据所述发电机电压电流采样模块采集的电压值来控制MOS管通断。

一种油电混合无人机能源系统的电子控制系统的控制方法，所述第一前馈控制模块接收所述发动机工况采集模块采集的初始油门信号以及发电机电压电流采样模块采集的电流值，将两者混合计算得到发动机负荷的概略数值，生成一个发动机油门信号的粗略值，输出给所述第一反馈控制模块，将发动机转速及输出电压大略控制在目标范围附近；所述第一反馈控制模块然后接收所述发动机工况采集模块采集的点火信号，得到发动机转速，接收发电机电压电流采样模块得到发电机的发电电压值，将两者混合计算得到误差信号，然后通过反馈计算得到发动机油门信号的修正值，根据此值精确控制发动机油门；

所述第二前馈控制模块接收所述发动机油门开度的修正值，根据预先标定的喷油量表得到喷油量初始值，输出给所述第二反馈控制模块，所述第二反馈控制模块接收所述发动机工况采集模块采集的当前的发动机运行工况信息，与理想工况计算误差，反馈计算得出基准喷油量，输出给所述工况修正模块，所述工况修正模块接收所述发电机电压电流采样模块采集的电压、电流值，将两者相乘计算出发电机的输出功率，进而估算发动机的运行状态，若处于轻载情况下，则将上述基准喷油量乘以一稀释系数，向贫油方向修正喷油量，降低油耗；若处于重载情况下，则将上述基准喷油量乘以一加浓系数，向富油方向修正喷油量，提高发动机输出功率，再根据计算出的喷油量精确控制电子喷油嘴。所述三路双向电源混合拓扑结构包括以下三种控制方式：

正常模态：正常工作时，发电机电压略高于电池电压，连接在发电机与升力电机之间的二极管与MOS管导通，备用电池与升力电机之间的二极管与MOS管截止，升力电机消耗的电能完全由发电机提供，此时若备用电池电能不足，可由发电机提供电能，经恒流电源向电池充电；

混合模态：当飞行器进行大机动或抗强风时，瞬间需要较多电能，发动机与发电机可能响应较慢，此时连接在发电机与升力电机之间的二极管与MOS管和备用电池与升力电机之间的二极管与MOS管均处于导通状态，发电机和备用电池同时为升力电机提供电能；

应急模态：当发动机出现故障熄火时，发电机无法输出电能，此时连接在发电机与动力电机之间的二极管与MOS管截止，备用电池与升力电机之间的二极管与MOS管导通，由备用电池输出电能供给飞行器飞行，提供一定的应急降落时间。

作为整流器时，MCU通过模拟采样电路读取三相发电电压，然后判断三相电压高低，主动控制高边与低边MOS管导通，使得电流主要从MOS管上通过，六组二极管此时作为备用，防止MOS管失效导致整个双向整流器出现功能失效。

发电电压换相时，在检测到将要发生换相时，通过提前逐渐关闭对应MOS管，将电流转移到该MOS对应的二极管上，实现硬件准确换相，避免出现电压尖峰，待换相结束后，再打开对应MOS管，将电流转移回MOS管，降低压降，减少功率损失。

本发明所达到的有益效果：本装置可以在能源系统输出功率变化时，通过监控发电机输出电压、电流、发动机汽缸温度、进排气温度、油门开度、进气压力等数据，进而通过计算控制节气门开度和电子喷油器向汽缸内喷射的燃油量，自动精确控制发动机在一恒定转速范围内旋转，以维持发电电压稳定，并实现更高的能源转换效率；此外，还具备电能混合模块可以实现发电机所发出电能、备用电池与飞行器升力电机之间能量的自由交换，正常情况下由发电机所发出电能供给升力电机飞行，并给备用电池充电；发动机发生故障熄火时，备用电池可提供故障冗余，保证飞行器安全降落；双向整流模块可以控制发电机在发电状态运行，将三相交流电整流成平稳的直流电，还可以控制发电机处于电动机状态运行，通过电池的能量让发动机旋转，带动发动机启动，实现启发一体。

附图说明

图1是本发明中电子控制单元的结构框图；

图2是本发明中控制方法示意图；

图3是本发明中三路双向电源混合拓扑电路简图；

图4是本发明中双向整流模块电路简图。

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，一种油电混合无人机能源系统的电子控制系统，能源系统包括与油缸连接的发动机、与发动机连接的发电机、备用电池以及升力电机，电子控制系统包括发动机工况采集模块、模拟信号采样电路、发动机控制单元、电能混合模块以及双向整流模块，发动机工况采集模块可以采集飞行控制器输出给电子调速器的油门信号、发动机磁电机点火信号或CDI点火信号、节气门开度传感器、进气压力传感器、大气气压传感器、缸温传感器以及进排气温度传感器的信息，模拟信号采样电路可以采集发动机的电流电压值，发电机与备用电池之间依次连接双向整流模块以及电能混合模块，电能混合模块输出端与升力电机连接，发动机工况采集模块以及模拟信号采样电路将接受的信息发送给发动机控制单元中的发动机油门开度控制模块与发动机喷油量控制模块，输出油门开度与喷油量的精确值给发动机，具体控制方法如下，如图2所示：

第一前馈控制模块接收发动机工况采集模块采集的初始油门信号以及发电机电压电流采样模块采集的电流值，将两者混合计算得到发动机负荷的概略数值，生成一个发动机油门信号的粗略值，输出给第一反馈控制模块，将发动机转速及输出电压大略控制在目标范围附近；第一反馈控制模块然后接收发动机工况采集模块采集的点火信号，得到发动机转速，接收发电机电压电流采样模块得到发电机的发电电压值，将两者混合计算得到误差信号，然后通过反馈计算得到发动机油门信号的修正值，根据此值精确控制发动机油门；

第二前馈控制模块接收发动机油门开度的修正值，根据预先标定的喷油量表得到喷油量初始值，输出给第二反馈控制模块，第二反馈控制模块接收发动机工况采集模块采集的当前的发动机运行工况信息，得出基准喷油量，输出给工况修正模块，工况修正模块接收发电机电压电流采样模块采集的电压、电流值，计算出发电机的输出功率，进而估算发动机的运行状态，若处于轻载情况下，则适当向贫油方向修正喷油量，降低油耗；若处于重载情况下，则适当向富油方向修正喷油量，提高发动机输出功率，再根据计算出的喷油量精确控制电子喷油嘴。

发电机、备用电池以及升力电机之间采用三路双向电源混合拓扑电路，使发电机以及备用电池可以单独或混合为升力电机供电，如图3所示，发电机与升力电机之间串联一组并联的MOS管与二极管，发电机与备用电池之间串联一组并联的MOS管、二极管以及恒流电源，备用电池以及升力电机之间串联一组并联的MOS管与二极管。

三路双向电源混合拓扑电路包括以下三种控制方式：

正常模态：正常工作时，发电机电压略高于电池电压，连接在发电机与升力电机之间的二极管与MOS管导通，备用电池与升力电机之间的二极管与MOS管截止，升力电机消耗的电能完全由发电机提供，此时若备用电池电能不足，可由发电机提供电能，经恒流电源向电池充电；

混合模态：当飞行器进行大机动或抗强风时，瞬间需要较多电能，发动机与发电机可能响应较慢，此时连接在发电机与升力电机之间的二极管与MOS管和备用电池与升力电机之间的二极管与MOS管均处于导通状态，发电机和备用电池同时为升力电机提供电能；

应急模态：当发动机出现故障熄火时，发电机无法输出电能，此时连接在发电机与动力电机之间的二极管与MOS管截止，备用电池与升力电机之间的二极管与MOS管导通，由备用电池输出电能供给飞行器飞行，提供一定的应急降落时间。

发电机与备用电池之间设有双向整流电路，如图4所示，双向整流电路由六组并联的MOS管与二极管构成的两组三相全桥电路并联组成功率级，双向整流电路与发电机电压电流采样模块以及MCU连接，组成控制级，MCU根据发电机电压电流采样模块采集的电压值来判断电压高低，并根据判断结果控制MOS管通断，当能量从直流侧流向交流侧时，控制级可以控制功率级作为逆变器使用，将备份电池的直流电转换成频率可控的三相交流电，利用备用电池的电能驱动发电机以电动机模式工作，带动发动机启动；当能量从交流侧流向直流侧时，控制级可以控制功率级作为整流器使用，将发电机发出的三相交流电整流成恒定电压的直流电，供电给升力电机使用，并为备用电池充电。

作为整流器时，MCU通过模拟采样电路读取三相发电电压，然后判断三相电压高低，主动控制高边与低边MOS管导通，使得电流主要从MOS管上通过，六组二极管此时作为备用，防止MOS管失效导致整个双向整流器出现功能失效。

发电电压换相时，在检测到将要发生换相时，通过提前逐渐关闭对应MOS管，将电流转移到该MOS对应的二极管上，实现硬件准确换相，避免出现电压尖峰，待换相结束后，再打开对应MOS管，将电流转移回MOS管，降低压降，减少功率损失。

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。