一种用于无人机的起动发电一体装置的制作方法

本实用新型涉及起动与发电技术领域，特别是涉及一种用于无人机的起动发电一体装置。

背景技术：

用于无人机的起动发电一体装置既可以作为起动机起动无人机的发动机，实现无人机的飞行；又可以作为发电机通过发电来为无人机的蓄电池充电，使蓄电池可以为机载设备供电，从而保证无人机的机载设备正常运行。

现有技术中采用的起动发电一体装置包括起发一体电机、速度传感器和电机控制器。通过将起发一体电机转轴与无人机的发动机转轴连接，速度传感器检测起发一体电机的转速。当起发一体电机作为起动机时，速度传感器将电机的转速发送给电机控制器，使电机控制器根据接收到的转速与发动机的点火转速来控制起发一体电机的转动，使起发一体电机到达发动机的点火转速时对发动机进行点火，从而起动无人机的发动机，实现无人机的飞行。起发一体电机作为发电机时，电机控制器根据接收到的速度传感器发送的电机的转速，计算出电机当前输出的电压，再根据计算出的输出电压与蓄电池的额定电压，将计算出的输出电压转变为与蓄电池的额定电压相同的电压，从而为蓄电池充电，使蓄电池为无人机的机载设备供电。

使用现有技术提供的起动发电一体装置，需要通过安装速度传感器来获取电机的转速，而速度传感器本身会占用较大的空间、且安装复杂，从而增加了无人机的自重和复杂性，降低了无人机的灵活性。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的在于提供一种用于无人机的起动发电一体装置，以减少无人机的自重和复杂性，提高无人机的灵活性。具体技术方案如下：

本实用新型实施例提供了一种用于无人机的起动发电一体装置，该装置包括：起发一体电机和起发一体控制器，所述起发一体电机与所述起发一体控制器连接；

所述起发一体控制器包括数据采集单元、与所述数据采集单元连接的数据处理单元；

所述数据采集单元，用于接收所述起发一体电机的电信号，将所述电信号发送给所述数据处理单元；

所述数据处理单元，用于根据接收到的所述电信号计算出所述起发一体电机的当前转速，根据所述当前转速，以及预设的转速，计算出驱动信号，用所述驱动信号控制所述起发一体电机的转速；或用于根据接收到的所述电信号计算出所述起发一体电机的当前转速，根据所述当前转速，计算出所述起发一体电机的输出电压，将所述输出电压变换为预设的电压。

可选的，所述数据采集单元包括数据采集模块及数据转换模块；

所述数据采集模块，用于采集所述起发一体电机的电信号，将所述电信号发送给所述数据转换模块；所述电信号包括电压信号及电流信号；

所述数据转换模块，用于将所述电信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送给所述数据处理单元。

可选的，所述数据处理单元，包括：转速计算模块、状态接收模块、分别与所述转速计算模块和状态接收模块连接的转速控制模块；

所述起发一体电机还用于发送状态判断信息，所述状态判断信息包括电动状态信息或发电状态信息；

所述转速计算模块，用于根据接收到的所述电信号，计算出所述起发一体电机的当前转速，将所述当前转速发送给所述转速控制模块；

所述状态接收模块，用于接收所述起发一体电机发送的状态判断信息，将所述状态判断信息发送给所述转速控制模块；

所述转速控制模块，包括电动转速控制子模块和发电转速控制子模块；

所述电动转速控制子模块，用于当接收到所述状态接收模块发送的所述电动状态信息时，根据预设的转速和所述起发一体电机的当前转速得出第一驱动信号，根据所述第一驱动信号调节所述发一体电机的转速，使所述起发一体电机的转速与所述预设的转速相同；

所述发电转速控制子模块，用于当接收到所述状态接收模块发送的所述发电状态信息时，根据所述当前转速计算出所述起发一体电机的输出电压，将所述输出电压变换为预设的电压。

可选的，所述装置还包括功率驱动单元，所述功率驱动单元与所述数字处理单元连接，所述功率驱动单元包括相连接的信号接收模块和转速控制模块；

所述信号接收模块，用于接收所述数字处理单元发送的所述数字信号，并将所述数字信号发送给所述转速控制模块；

所述转速控制模块，包括数模转换器和功率放大器；所述数模转换器用于将所述数字信号转换为模拟信号，将所述模拟信号发送给功率放大器；所述功率放大器用于将所述模拟信号放大，用放大后的所述模拟信号控制所述起发一体电机的转速。

可选的，所述转速计算模块，具体用于根据接收到的所述电信号，使用滑模观测器计算出所述起发一体电机的当前转速。

可选的，所述起发一体控制器还包括电流转换单元，所述电流转换单元与所述起发一体电机连接，用于当所述起发一体电机为发电状态时，通过磁场定向控制将所述起发一体电机输出的交流电压转变为与所述预设的电压相等的直流电压。

可选的，所述起发一体控制器还包括外部通讯单元，所述外部通讯单元与所述数据采集单元连接；所述外部通讯单元用于接收所述起发一体电机发送的电信号，并将所述电信号发送给所述数据采集单元。

可选的，所述起发一体电机为永磁同步电机。

本实用新型实施例提供的用于无人机的起动发电一体装置，包括起发一体电机、起发一体控制器，起发一体控制器包括数据采集单元、与所述数据采集单元连接的数剧处理单元；所述数据采集单元，用于接收所述起发一体电机的电信号，将所述电信号发送给所述数据处理单元；所述数据处理单元，用于根据接收到的所述电信号计算出所述起发一体电机的当前转速，根据所述当前转速，以及预设的转速或预设的电流，计算出驱动信号，用所述驱动信号控制所述起发一体电机的转速。

本实用新型实施例中，由于通过起发一体控制器来计算起发一体电机的当前转速，从而计算出驱动信号，实现对电机的转速的控制。而不需要另外安装速度传感器来得到电机的当前转速，节省了空间占用面积、降低了安装复杂性，从而降低了无人机的自重和复杂性，提高了无人机的灵活性。当然，实施本实用新型的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型实施例提供的用于无人机的起动发电一体装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中进行磁场定向控制的流程示意图；

图3为本实用新型实施例提供的用于无人机的起动发电一体装置与无人机其他组件连接后的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的用于无人机的起动发电一体装置工作流程示意图。

具体实施方式

为了减少无人机的自重和复杂性，提高无人机的灵活性，本实用新型实施例提供了一种用于无人机的起动发电一体装置，下面对本实用新型实施例所提供的用于无人机的起动发电一体装置进行介绍。

需要说明的是，本实用新型实施例所提供的用于无人机的起动发电一体装置可以应用于固定翼无人机、旋翼无人机等各类无人机中。

如图1所示，本实用新型实施例所提供的一种用于无人机的起动发电一体装置，可以包括：起发一体电机1和起发一体控制器2，起发一体电机1与起发一体控制器2连接。

起发一体控制器2包括数据采集单元210、以及与数据采集单元210连接的数据处理单元220。

数据采集单元210，用于接收数据采集单元210的电信号，将接收到的电信号发送给数据处理单元220。

数据处理单元220，用于根据接收到的电信号计算出起发一体电机1的当前转速，根据计算出的当前转速，以及预设的转速，计算出驱动信号，用计算出的驱动信号控制起发一体电机1的转速；或用于根据接收到的电信号计算出起发一体电机1的当前转速，根据当前转速，计算出起发一体电机1的输出电压，将该输出电压变换为预设的电压。

由于发动机到达点火转速后才可以进行点火起动，因此，上述预设的转速可以是无人机发动机的点火转速。对蓄电池进行充电时，充电电压应满足蓄电池的额定值，才可以进行充电，否则会损坏蓄电池，因此，上述预设的电压可以是蓄电池的额定电压。

在实际应用中，起发一体电机1有电动状态和发电状态两种工作状态。当起发一体电机1为电动状态时，数据处理单元220可以根据计算出的当前转速是否与预设的转速相同，计算出使起发一体电机1提速或降速的驱动信号，用该驱动信号控制起发一体电机1的转速，使起发一体电机1的转速与预设的转速相同。

当起发一体电机1为发电状态时，数据处理单元220可以根据计算出的当前转速计算出起发一体电机1的输出电压，将该输出电压变换为预设的电压。

上述起发一体电机1与起发一体控制器2的连接、数据采集单元210与数据采集单元210的连接，可以为电连接，也可以为无线连接，本领域技术人员可以根据实际情况选择连接方式，上述电信号可以是起发一体电机1的电压、电流信号。

本实用新型通过起发一体控制器来计算起发一体电机的当前转速，从而计算出驱动信号，实现对电机的转速的控制。不需要另外安装速度传感器来得到电机的当前转速，节省了空间占用面积、降低了安装复杂性，从而降低了无人机的自重和复杂性，提高了无人机的灵活性。

可以理解的是，起发一体电机1发送的电信号为电机定子的电压及电流等模拟信号，在控制系统中，直接对模拟信号进行分析，来实现对系统的控制比较复杂，而根据数字信号对系统进行控制的技术比较成熟，且易于实现，因此，在本实用新型实施例的一种实施方式中，数据采集单元210可以包括数据采集模块及数据转换模块。

数据采集模块，用于采集起发一体电机1的电信号，将采集到的电信号发送给数据转换模块；上述电信号包括电压信号及电流信号。

数据转换模块，用于将接收到的电信号转换为数字信号，并将该数字信号发送给数据处理单元220。

通过设置数据转换模块将模拟信号转换为数字信号后，可以使数据处理单元220对信号的分析过程更简单、速度更快。

为提高数据处理单元220的数据处理速度和准确度，可以将数据处理单元220进行不同功能模块的划分，各模块用于实现不同的功能，具体实现方式可以为：数据处理单元220可以包括：转速计算模块、状态接收模块、分别与上述转速计算模块和状态接收模块连接的转速控制模块。

起发一体电机1还可以用于发送状态判断信息，该状态判断信息可以包括起发一体电机1当前所处的电动状态信息或发电状态信息。

转速计算模块，可以用于根据从起发一体电机1接收到的电信号，计算出起发一体电机1的当前转速，将计算出的当前转速发送给转速控制模块；其中，从起发一体电机1接收到的电信号可以是电压及电流信号。

可以理解的是，根据电机当前的电压及电流，运用现有的电机理论知识，就可以计算出电机的当前转速，本实用新型不对转速的具体计算过程进行赘述。

上述状态接收模块，用于接收起发一体电机1发送的状态判断信息，将该状态判断信息发送给转速控制模块。

上述转速控制模块，包括电动转速控制子模块和发电转速控制子模块。

上述电动转速控制子模块，用于当接收到状态接收模块发送的电动状态信息时，根据预设的转速和起发一体电机1的当前转速得出第一驱动信号，根据第一驱动信号调节起发一体电机1的转速，使起发一体电机1的转速与上述预设的转速相同。例如，电动转速控制子模块可以根据起发一体电机1的当前转速是否与预设的转速相同，得出使起发一体电机1提速或降速的信号，起发一体电机1根据该提速或降速的信号来提升或降低转速。

上述发电转速控制子模块，用于当接收到状态接收模块发送的发电状态信息时，根据起发一体电机1的当前转速计算出起发一体电机1的输出电压，将该输出电压变换为预设的电压。例如，发电转速控制子模块可以根据蓄电池的额定电压，将接收到的起发一体电机1的输出电压转变为与蓄电池的额定电压相等的电压，来对蓄电池进行充电。

当对数据处理单元220划分模块后，不同的模块用以实现不同的功能，从而可以有序、高效地进行数据处理，进一步提升了起动发电一体装置的工作速度和准确度。

可以理解的是，当用数据处理单元220计算出的驱动信号是数字信号时，用数字信号驱动电机时，由于数字信号本身功率较小，导致电机对数字信号的变化灵敏度较差，从而导致对电机的控制效果不佳。因此，在本实用新型实施例的一种实施方式中，起发一体控制器2还可以包括功率驱动单元，上述功率驱动单元与数字处理单元220连接，功率驱动单元包括相连接的信号接收模块和转速控制模块。

上述信号接收模块，用于接收数字处理单元220发送的数字信号，并将该数字信号发送给转速控制模块。

上述转速控制模块，包括相连接的数模转换器和功率放大器；数模转换器用于将上述数字信号转换为模拟信号，将转换后的模拟信号发送给功率放大器；功率放大器用于将上述模拟信号放大，用放大后的模拟信号控制起发一体电机1的转速。

使用数模转换器和功率放大器将数字信号的驱动信号转换为功率较大的模拟信号后，可以提高电机对驱动信号的变化灵敏度，从而提高对电机的控制的准确度。

在本实用新型实施例的一种实施方式中，转速计算模块具体可以用于根据接收到的电信号，使用滑模观测器计算出起发一体电机1的当前转速。其中，滑模观测器是根据外部变量的实测值得出状态变量估计值的一类动态系统，滑模观测已经在控制工程的许多方面也得到了实际应用，其计算输出等同于测量输出，计算准确率较高。因此，使用滑模观测器来根据起发一体电机1的电压及电流等电信号计算出的该电机的转速，来替代测量出的转速准确率较高，从而可以提高起发一体控制器2对起发一体电机1的控制准确度。

在实际应用中，多数蓄电池需要用直流电进行充电时，由于起发一体电机1通常为交流电机，交流电机发电状态下产生的电流为交流电，不能直接为蓄电池充电。因此，在本实用新型实施例的一种实施方式中，上述起发一体控制器2还可以包括电压转换单元，电流转换单元与起发一体电机1连接，用于当起发一体电机1为发电状态时，通过磁场定向控制将起发一体电机1产生的交流电压转变为直流电压。当将起发一体电机1产生的交流电压整流为直流电压后，就可以对需要用直流电进行充电的蓄电池进行充电。

上述磁场定向控制是通过旋转坐标变换将耦合的交流电等效为直流电，实现解耦控制，从交流电得到直流电的一种方法。如图2所示，磁场定向控制具体可以按以下方式实现：电压转换单元通过Clark变换将起发一体电机1输出的交流电压uabc从三相静止参考系abc变换到两相静止参考系αβ中，再通过Park变换将两相静止参考系αβ中的电压uαβ变换为两相同步旋转参考系dq中的电压uq和ud，从而实现电压在d轴和q轴上的解耦，将交流电转换为直流电，供蓄电池充电。其中，Clark变换与Park变换是将三相交流电变换为直流电时常用的坐标变换。

在本实用新型实施例的一种实施方式中，起发一体控制器2还可以包括电量监控单元，电量监控单元与无人机的蓄电池连接，用于监控蓄电池的电量状态，并根据该电量状态控制是否给蓄电池充电。当设置电量监控单元来监控蓄电池的电量状态后，就可以根据蓄电池电量状态进行充电，从而可以避免过度充电导致蓄电池受损。

为进一步使起发一体控制器2与起发一体电机1的通讯更稳定，在本实用新型实施例的一种实施方式中，上述起发一体控制器2还可以包括外部通讯单元，该外部通讯单元与数据采集单元210连接；上述外部通讯单元用于接收上述起发一体电机1发送的电信号，并将该电信号发送给数据采集单元210。设置专门用于与起发一体电机1通讯的外部通讯单元，可以使起发一体控制器2与起发一体电机1的通讯更稳定，从而可以提高起发一体装置的可靠性。

可以理解的是，永磁同步电机PMSM由于无需进行励磁，其功率效率高，且结构简单、体积小。因此，在本实用新型实施例的一种实施方式中，起发一体电机1可以为永磁同步电机。从而可以提高起发一体装置的功率、减少起发一体装置的结构复杂度和体积。

本实用新型的用于无人机的起发一体装置与无人机中其他组件进行装配后的结构示意图如图3所示，起发一体电机1通过联轴器3与发动机4连接，起发一体控制器2与起发一体电机1连接，蓄电池5与起发一体控制器2连接，机载设备6与蓄电池5连接。无人机的发动机4起动时，由外部系统将起动命令发送给起发一体控制器2的外部通讯单元，起发一体控制器2根据该起动命令与其计算的电机转速进入电动控制状态，控制起发一体电机1转动，进而带动发动机4起动，到达发动4机点火转速后，将蓄电池5的电能转化为发动机4的动能。当发动机4点火成功后，外部系统给起发一体控制器2发出已点火成功命令，起发一体控制器2根据点火成功命令与其计算的电机转速进入发电控制状态，控制起发一体电机1发电，并通过监控蓄电池5的电量情况，控制蓄电池5的充电，从而将发动机4的动能转化为蓄电池5的电能，给无人机机载设备6供电。

下面结合图4，对本实用新型实施例的起发一体装置的工作过程进行说明。

S110：起发一体控制器2的外部通讯单元接收到外部系统发送的起动命令后，将发动机4设置为待机状态。

S120：起发一体控制器2判断发动机4是否起动且起发一体电机1是否为预设转速；其中，预设转速可以为发动机4的点火转速，发动机4与起发一体电机通过联轴器3连接。

S130：当步骤S120判断为是时，起发一体控制器2得到起发一体电机1为电动状态的电机判断信号；当步骤S120判断为否时，返回执行步骤S110。

S140：起发一体控制器2判断发动机4是否已点火且起发一体电机1是否为预设转速；如果步骤S140判断结果为否，则返回执行步骤S130。

S150：当步骤S140判断结果为是时，起发一体控制器2得到起发一体电机1为发电状态的电机判断信号；此时，发动机4带动起发一体电机1转动，起发一体电机1将机械能转换为电能。

S160：起发一体控制器2判断蓄电池5是否需要充电；其中，起发一体控制器2与蓄电池5连接。

S170：当步骤S160判断结果为是时，起发一体控制器2为蓄电池5充电，从而使蓄电池5可以为无人机上的机载设备6供电。

S180：判断发动机是否停机；如果是，返回执行步骤S110；如果否，返回执行步骤S150。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。