一种用于多旋翼无人机的航空混合动力系统发电整流控制方法与流程

本发明涉及发电机及混合动力技术领域，具体涉及一种用于多旋翼无人机的航空混合动力系统发电整流控制方法。

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、军事侦察等军用、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；通过舵机连杆调节节气门控制发动机转速，当节气门达到最大开度时，直流侧负载持续增大，转速降低，输出电压下降，无法实现恒压输出，不满足无人机的用电需求。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出了一种用于多旋翼无人机的航空混合动力系统发电整流控制方法，集成动力电池驱动和燃油驱动的特性，采用主动整流与被动整流结合的方式，通过发动机转速控制与主被动整流控制方法结合的发电整流控制方法，实现变负载时恒压输出。

本发明采用的技术方案是：

一种用于多旋翼无人机的航空混合动力系统，包括混合动力系统、混合整流器、控制器、备用电池、多旋翼无人机；

所述混合动力系统包括同轴机械连接的二冲程汽油机和永磁发电机，其中：永磁发电机上设有转子，所述永磁发电机、所述控制器、所述备用电池、所述多旋翼无人机均与所述混合整流器电性连接，所述备用电池为所述多旋翼无人机供电；

所述混合整流器包括数量对等且并联的整流二极管和功率mos管形成三相半桥整流器，所述三相半桥整流器分成共阴极和共阳极两组且均与永磁发电机呈三相连接，保证任何时刻只有两个整流二极管导通，使电流由电位最高的相位流经负载流回电位最低的相位；

所述控制器控制功率mos管开断形成有主动整流电路和被动整流电路，所述多旋翼无人机上设有发动机，所述发动机上设有舵机连杆机构和舵机，所述舵机连杆机构包括节气门和摇臂且摇臂控制节气门开度，所述摇臂设于所述舵机上，所述节气门设于所述发动机上，所述舵机连杆机构连接所述控制器，所述控制器上设有开关。

优先地，所述整流二极管和所述功率mos管的数量均为六个，所述永磁发电机每相分别连接有两个整流二极管和功率mos管。

优先地，所述整流二极管采用较大功率整流二极管代替续流二极管，集成被动整流和主动整流功能。

优先地，一种用于多旋翼无人机的航空混合动力系统的发电整流控制方法包括如下步骤：

步骤一，系统初始化，使舵机回位，发动机上的节气门调至怠速位置；

步骤二，判断控制器开关状态，关断状态则流程结束，开通状态则读取混合整流器直流侧电压、电流值，计算直流侧功率，继续步骤三；

步骤三，通过多次实验设定功率阈值，功率值小于功率阈值时，控制器输出三路控制信号，并调整高边三相功率mos管均为关断状态，形成被动整流电路，通过节气门开度控制发动机转速实现恒压输出；

步骤四，当摇臂至最大位置即节气门至最大开度时，根据发动机外特性，随着负载增加，转速降低，使被动整流后的电压降低，无法满足多旋翼无人机的用电需求，当直流侧负载功率大于功率阈值且母线电压低于下限电压时，控制器切换无感主动整流算法，无感主动整流算法采用空间矢量算法，通过相电压电流建立反电势观测器，观测永磁发电机上转子位置和转速形成有旋转磁场，实现升压、恒压控制；

步骤五，当直流侧负载降低至功率阈值以下时，切换三相整流桥高边三路功率mos管为关断状态，切换为步骤三中的被动整流方法，通过节气门控制发动机转速实现恒压输出，判断功率值，循环步骤三、步骤四。

优先地，步骤三中，所述被动整流电路调节节气门开度方法为：计算所述多旋翼无人机常用工作电压范围，读取母线电压，母线电压低于下限电压时，控制器通过舵机连杆机构控制摇臂，增加节气门开度，提高发动机转速；母线电压高于上限电压时，控制器控制摇臂，减小节气门开度，降低发动机转速；母线电压介于常用电压范围内时，控制器通过摇臂控制节气门位置，维持发动机转速。

优先地，所述无感主动整流算法包括模糊控制算法、人工神经网络、滑膜观测器、卡尔曼滤波观测器等，精确观测转子位置和转速，提高主动整流和被动整流的切换临界点。

本发明的有益效果是：

1.采用主动整流、被动整流结合，集成发动机控制、无感主动整流控制为一体，被动整流时控制发动机转速实现恒压输出，主动整流时采用无感整流算法，实现升压、恒压控制，结合实践经验，多次实验，控制简单，可靠性高；

2.采用轻质高效的航空混合动力系统解决方案，集成动力电池驱动和燃油驱动的优点，提高无人机航时和载重，控制简单，可替换性强。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的结构原理图；

图2是本发明的混合整流器原理图；

图3是本发明的控制方法流程图。

图中标记为：1.混合动力系统，11.二冲程汽油机，12.永磁发电机，2.混合整流器，21.共阴极，22.共阳极，3.备用电池，4.控制器，5.多旋翼无人机。

具体实施方式

如图1所示，一种用于多旋翼无人机的航空混合动力系统，包括混合动力系统1、混合整流器2、控制器4、备用电池3、多旋翼无人机5；

混合动力系统1包括同轴机械连接的二冲程汽油机11和永磁发电机12，其中：永磁发电机12上设有转子，永磁发电机12、控制器4、备用电池3、多旋翼无人机5均与混合整流器2电性连接，备用电池3为多旋翼无人机5供电；

混合整流器2包括数量均为六个且并联的整流二极管和功率mos管形成三相半桥整流器，三相半桥整流器分成共阴极21和共阳极22两组且均与永磁发电机12呈三相连接，如图2中所示，v1至v6为整流二极管，s1至s6为功率mos管，v1、v3和v5为共阴极21连接，v2、v4和v6为共阳极22连接，v1与v2、v3与v4、v5与v6分别电性连接成三相与永磁发电机12三相连接，s1至s6分别匹配并并联于相同序号的v1至v6两端，保证任何时刻只有两个整流二极管导通，使电流由电位最高的相位流经负载流回电位最低的相位，整流二极管采用较大功率整流二极管代替续流二极管，集成被动整流和主动整流功能，控制器4控制功率mos管开断形成有主动整流电路和被动整流电路；

多旋翼无人机5上设有发动机，发动机上设有舵机连杆机构和舵机，舵机连杆机构包括节气门和摇臂且摇臂控制节气门开度，摇臂设于舵机上，节气门设于发动机上，舵机连杆机构连接控制器4，控制器4上设有开关。

具体的，如图1-3所示，一种用于多旋翼无人机的航空混合动力系统的发电整流控制方法包括如下步骤：

步骤一，系统初始化，使舵机回位，发动机上的节气门调至怠速位置；

步骤二，判断控制器4开关状态，关断状态则流程结束，开通状态则读取混合整流器2直流侧电压、电流值，计算直流侧功率，继续步骤三；

步骤三，混合动力系统1适配的多旋翼无人机5工作电源为12s锂电池，由于发动机相应较慢，将电压控制在某一范围内时不会引起系统震荡，选择多旋翼无人机5最经常工作的电压范围48v至49v；当母线电压越高，提高转速即提高输出功率，通过多次实验，匹配二冲程汽油机11和永磁发电机12转速和功率，得出母线电压阈值为48v时能输出最大功率1.6kw，并将此作为功率阈值；

当功率值小于1.6kw时，控制器4输出三路控制信号，并调整高边三相功率mos管均为关断状态，形成被动整流电路，通过节气门开度控制发动机转速实现恒压输出，具体方法为：被动整流电路调节节气门开度方法为：计算多旋翼无人机5常用工作电压范围，读取母线电压，母线电压低于48v时，控制器4通过舵机连杆机构控制摇臂，增加节气门开度，提高发动机转速；母线电压高于49v时，控制器4控制摇臂，减小节气门开度，降低发动机转速；母线电压介于48v至49v范围内时，控制器4通过摇臂控制节气门位置，维持发动机转速；

步骤四，当摇臂至最大位置即节气门至最大开度时，根据发动机外特性，随着负载增加，转速降低，使被动整流后的电压降低，无法满足多旋翼无人机5的用电需求，当直流侧负载功率大于1.6kw且母线电压低于48v时，控制器4切换无感主动整流算法，整流二极管用作续流二极管，提供释放回路，缓冲主动整流控制时产生的无功电能，抑制高压，保证电路安全，无感主动整流算法采用空间矢量算法，通过相电压电流建立反电势观测器，观测永磁发电机12上转子位置和转速形成有旋转磁场，实现升压、恒压控制；无感主动整流算法还包括模糊控制算法、人工神经网络、滑膜观测器、卡尔曼滤波观测器等，精确观测转子位置和转速，提高主动整流和被动整流的切换临界点；

步骤五，当直流侧负载降低至1.6kw以下时，切换三相整流桥高边三路功率mos管为关断状态，切换为步骤三中的被动整流方法，通过节气门控制发动机转速实现恒压输出，判断功率值，循环步骤三、步骤四。

本发明的优点：结构简单，集成动力电池驱动和燃油驱动，增加无人机航时和载重，结合主动整流和被动整流，通过控制转速实现恒压输出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。