一种装甲车辆用正负双路主机电源及其工作方法与流程

1.本发明涉及坦克装甲车辆电源电气系统技术领域，特别是涉及一种装甲车辆用正负双路主机电源及其工作方法。


背景技术：

2.一直以来，坦克装甲车辆的供电主要由主机发电机及主机电源提供，其中，主机发电机以卡箍固定方式安装在主发动机(简称主机)侧面，通过齿轮从主发动机取力发电，将机械能转化为电能。再经过主机电源调制获得稳定的直流电源输出。传统的供电方案由励磁发电机与调压控制器组合而成。励磁发电机绕组输出交流电后经硅整流器不控整流为直流电，再经由调压控制器调整发电机的励磁电流将电压稳定在一定范围内，从而获得稳定电源。随着坦克装甲车辆电气化技术领域的发展，大量新型电子设备运用于坦克装甲车辆，提升了用电需求。部分车辆为了提高功率密度，扩展供电体制，增加用电设备范围，采用
±
28v体制，使得一部分设备工作在0～28v或-28～0v体制下，部分大功率设备如(驱动电机、空调)采用-28～+28v供电，为此还要考虑正负电网的均衡问题。以上用电负载功率的增加，对主机发电机与主机电源的输出功率需求大幅提升。而主机发电机的安装位置和尺寸有相应国家标准，均有上限约束。因此不能通过单纯增加电机体积提升电机功率。传统方案的励磁发电机的转子励磁结构需要付出额外的体积与重量代价，功率密度较低，输出功率不能满足提升后的用电需求。同时励磁控制的调压原理也使得在发动机怠速运行电机转速较低时，无法建立足够的绕组磁势，怠速带载能力弱。虽然励磁电机调压控制器有结构简单，成本较低的优点。但通过调节励磁电流改变绕组磁通，进而实现闭环调压的基本原理，也使得电源的动态响应较慢，瞬态性能不佳。另外，此前在
±
28v体制装甲车辆上应用的双绕组
±
28v励磁发电系统中，虽然正负组输出定子绕组相互独立，单正负组共用励磁电路，励磁磁通存在耦合，导致两套绕组的输出能力未能完全解耦，独立工作。载荷及转速变化时，两套绕组的输出将互相影响。进而影响电源的动态性能等品质。如果将主机发电机更改为双绕组永磁同步发电机，由永磁体提供恒定的转子磁通，不再需要励磁结构，大幅提高了电机功率密度。同时电机双绕组互相解耦，可独立输出电能，解决了正负电网的均衡问题。
3.现有技术中缺少与高功率的双绕组永磁同步电机进行匹配的电源，为解决车辆用电需求提升的问题，迫切需要提供一种装甲车辆用正负双路主机电源。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种装甲车辆用正负双路主机电源及其工作方法，具有双路独立输出、高功率密度、高精度、低纹波、快速动态响应的特点。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种装甲车辆用正负双路主机电源，包括：
6.正负组整流模块组件，用于接收双绕组永磁同步电机转动后产生的正组交流输入
电压和负组交流输入电压，并对所述正组交流输入电压和负组交流输入电压进行整流，得到直流正组输入电压和直流负组输入电压，所述正负组整流模块组件与接地母线相连接；
7.正负组输入滤波电容组件，其分别与所述正负组整流模块组件、接地母线相连接；
8.正负组igbt功率模块组件，其分别与所述正负组整流模块组件、正负组输入滤波电容组件、dsp控制电路相连接；
9.正负组续流二极管组件，其分别与所述正负组igbt功率模块组件、接地母线相连接；
10.正负组滤波电感组件，其分别与所述正负组igbt功率模块组件、正负组续流二极管组件相连接；
11.正负组支撑电容组件，其分别与所述正负组滤波电感组件、接地母线相连接；
12.共模滤波器，用于输出正负双路电源，所述共模滤波器分别与所述正负组滤波电感组件、正负组支撑电容组件相连接；
13.电压传感器组件，用于采集直流正组输入电压和直流负组输入电压，并将输入电压进行数模转换后的信号发送至dsp控制电路，所述电压传感器组件的输入端分别与所述正负组整流模块组件、共模滤波器的输出端相连接，所述电压传感器组件的输出端与所述dsp控制电路的输入端相连接；
14.电流传感器组件，用于采集所述正负组滤波电感组件中的每相电感电流，并将电流进行数模转换后的信号发送至dsp控制电路，所述电流传感器组件的输入端与所述正负组滤波电感组件的输出端相连接，所述电流传感器组件的输出端与所述dsp控制电路的输入端相连接；
15.dsp控制电路，用于接收上位机下发的发电信号和发电电压指令值，并判断模数转换后的直流正组输入电压和直流负组输入电压是否满足发电电压指令值，得到误差值。
16.在本发明的一实施例中，所述正负组整流模块组件包括：
17.正组整流模块s1，其输入端用于接收双绕组永磁同步电机转动后产生的正组交流输入电压，所述正组整流模块s1的负极与接地母线相连接；
18.负组整流模块s2，其输入端用于接收双绕组永磁同步电机转动后产生的负组交流输入电压，所述负组整流模块s2的正极与接地母线相连接。
19.在本发明的一实施例中，所述正负组输入滤波电容组件包括：
20.正组输入滤波电容c
i1
，其正极与所述正组整流模块s1的正极相连接，所述正组输入滤波电容c
i1
的负极与正组整流模块s1的负极、接地母线相连接；
21.负组输入滤波电容c
i2
，其正极与所述正组整流模块s2的正极、接地母线相连接，所述负组输入滤波电容c
i2
的负极与正组整流模块s2的负极相连接。
22.在本发明的一实施例中，所述正负组igbt功率模块组件包括：
23.正组igbt功率模块组件g1，其正极与所述正组整流模块s1的正极、正组输入滤波电容c
i1
的正极相连接；
24.负组igbt功率模块组件g2，其负极与所述正组整流模块s2的负极、负组输入滤波电容c
i2
的负极相连接。
25.在本发明的一实施例中，所述正负组续流二极管组件包括：
26.正组续流二极管组件d1，其正极与接地母线相连接，所述正组续流二极管组件d1的
负极与正组igbt功率模块组件g1的负极相连接；
27.负组续流二极管组件d2，其负极与接地母线相连接，所述负组续流二极管组件d2的正极与负组igbt功率模块组件g2的正极相连接。
28.在本发明的一实施例中，所述正负组滤波电感组件包括：
29.正组滤波电感l1，其正极与正组igbt功率模块组件g1的负极、正组续流二极管组件d1的负极连接；
30.负组滤波电感l2，其负极与负组igbt功率模块组件g2的正极、负组续流二极管组件d2的正极连接。
31.在本发明的一实施例中，所述正负组支撑电容组件包括：
32.正组支撑电容c
o1
，其负极与接地母线相连接，所述正组支撑电容c
o1
的正极连接正组滤波电感l1的负极以及共模滤波器的输入端；
33.负组支撑电容c
o2
，其正极与接地母线相连接，所述负组支撑电容c
o2
的负极连接负组滤波电感l2的正极以及共模滤波器的输入端。
34.本发明还提供一种装甲车辆用正负双路主机电源的工作方法，包括上述的装甲车辆用正负双路主机电源，所述装甲车辆用正负双路主机电源的工作方法包括：
35.s1、通过正负组整流模块组件接收双绕组永磁同步电机转动后产生的正组交流输入电压和负组交流输入电压，并对所述正组交流输入电压和负组交流输入电压进行整流，得到直流正组输入电压和直流负组输入电压；
36.s2、通过电压传感器组件采集直流正组输入电压和直流负组输入电压，并将直流正组输入电压和直流负组输入电压进行数模转换，转换后的信号发送至dsp控制电路；
37.s3、通过电流传感器组件采集正负组滤波电感组件中的每相电感电流，并将电流进行数模转换后的信号发送至dsp控制电路；
38.s4、所述dsp控制电路判断模数转换后的直流正组输入电压和直流负组输入电压是否大于发电电压指令值
±
28v，若是，则将正负组输出电压的采样值与发电电压指令值
±
28v进行比较，得到误差值；
39.s5、将所述误差值输入至控制模型的电压控制环的pi控制器和限幅器解算，得到电流控制环的给定值；
40.s6、将所述电流控制环的给定值同时输入至三个正组电流控制环和三个负组电流控制环，得到的输出值分别与每相电感电流计算误差，得到的误差值经过各个电流控制环的pi控制器和限幅器解算，得到每相开关信号；
41.s7、所述每相开关信号控制正负组igbt功率模块组件按照给定的占空比和交错相位开通与关断；
42.s8、通过共模滤波器的输出端即为正组正极、负组负极输出56v驱动电源。
43.在本发明的一实施例中，步骤s7中的所述每相开关信号控制正负组igbt功率模块组件按照给定的占空比和交错相位开通与关断包括：
44.s71、igbt功率模块组件开通时，电流经过igbt功率模块组件为正组滤波电感l1、负组滤波电感l2储能，并为正组支撑电容c
o1
、负组支撑电容c
o2
充电；
45.s72、igbt功率模块组件关断时，所述正组滤波电感l1、负组滤波电感l2储存的电能经过正组续流二极管组件d1、负组续流二极管组件d2释放，为正组支撑电容c
o1
、负组支撑电
容c
o2
充电。
46.如上所述，本发明的一种装甲车辆用正负双路主机电源及其工作方法，具有以下有益效果：
47.本发明的装甲车辆用正负双路主机电源用于实现在坦克装甲车辆主机发电机正常运行时，发出正负双路28v直流电压，为车载用电设备提供符合国军标要求的
±
28v直流电源及56v驱动电源。
48.本发明采用了数字化、集成化的设计方案，将正负两路电源的结构集成设计，并采用多管交错并联控制技术，大大提升了电源品质，并达到了双路独立输出、高功率密度、高精度、低纹波、快速动态响应的设计目的。
49.本发明采用各相独立的主动均流控制，可以大幅降低电源纹波，提高电源动态性能。并且正负两路电源共用部分硬件电路，减小了结构体积，提高了功率密度，达到了通用化、集成化的设计目的。
附图说明
50.图1为本技术实施例提供的装甲车辆用正负双路主机电源的结构原理图。
51.图2为本技术实施例提供的装甲车辆用正负双路主机电源的软件控制模型的控制原理图。
52.图3为本技术一种装甲车辆用正负双路主机电源的工作方法的工作流程图。
53.图4为本技术一种装甲车辆用正负双路主机电源的工作方法的步骤s7的工作流程图。
54.元件标号说明
55.10
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正负组整流模块组件
56.20
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正负组输入滤波电容组件
57.30
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正负组igbt功率模块组件
58.40
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正负组续流二极管组件
59.50
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正负组滤波电感组件
60.60
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正负组支撑电容组件
61.70
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共模滤波器
62.80
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电压传感器组件
63.90
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电流传感器组件
64.100
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dsp控制电路
具体实施方式
65.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
66.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构
想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
67.请参阅图1，图1为本技术实施例提供的装甲车辆用正负双路主机电源的结构原理图。本发明的装甲车辆用正负双路主机电源包括正负组整流模块组件10、正负组输入滤波电容组件20、正负组igbt功率模块组件30、正负组续流二极管组件40、正负组滤波电感组件50、正负组支撑电容组件60、共模滤波器70、电压传感器组件80、电流传感器组件90、dsp控制电路100。本发明用于实现在坦克装甲车辆主机发电机正常运行时，发出正负双路28v直流电压，为车载用电设备提供复合国军标要求的
±
28v直流电源及56v驱动电源。本发明的装甲车辆用正负双路主机电源将+28v电源的地与-28v电源的输出正极共地进行设计，能够两路独立输出+28v、-28v电源运行，并能够串联输出56v驱动电源，为起动电机、空调等56v用电负载供电。并且采用多相交错并联技术，各相按不同相位交错开通。并采用各相独立的主动均流控制，可大幅降低电源纹波，提高电源动态性能。并且正负两路电源共用部分硬件电路，减小了结构体积，提高了功率密度，达到了通用化、集成化的设计目的。
68.如图1所示，所述正负组整流模块组件10用于接收双绕组永磁同步电机转动后产生的正组交流输入电压和负组交流输入电压，并对所述正组交流输入电压和负组交流输入电压进行整流，得到直流正组输入电压和直流负组输入电压，所述正负组整流模块组件10与接地母线相连接。所述正负组输入滤波电容组件20分别与所述正负组整流模块组件10、接地母线相连接。所述正负组igbt功率模块组件30分别与所述正负组整流模块组件10、正负组输入滤波电容组件20、dsp控制电路100相连接。本发明应用多相igbt功率模块交错并联，各相驱动模块按不同相位交错开通，降低了每支功率模块的电流，同时改善了电流纹波，降低了对功率模块的额定电流要求，同时也降低了对滤波电容和磁性元件的性能要求，因此可以选择体积更小的功率器件，压缩了功率回路体积，增加了功率密度。
69.如图1所示，所述正负组续流二极管组件40分别与所述正负组igbt功率模块组件30、接地母线相连接。所述正负组滤波电感组件50分别与所述正负组igbt功率模块组件30、正负组续流二极管组件40相连接。所述正负组支撑电容组件60分别与所述正负组滤波电感组件50、接地母线相连接。所述共模滤波器70用于输出正负双路电源，所述共模滤波器70分别与所述正负组滤波电感组件50、正负组支撑电容组件60相连接。所述电压传感器组件80用于采集直流正组输入电压和直流负组输入电压，并将输入电压进行数模转换后的信号发送至dsp控制电路100，所述电压传感器组件80的输入端分别与所述正负组整流模块组件10、共模滤波器70的输出端相连接，所述电压传感器组件80的输出端与所述dsp控制电路100的输入端相连接。所述电流传感器组件90用于采集所述正负组滤波电感组件50中的每相电感电流，并将电流进行数模转换后的信号发送至dsp控制电路100，所述电流传感器组件90的输入端与所述正负组滤波电感组件50的输出端相连接，所述电流传感器组件90的输出端与所述dsp控制电路100的输入端相连接，正负双路电源经所述共模滤波器70滤波后输出。
70.如图1所示，所述电压传感器组件80用于采集直流正组输入电压和直流负组输入电压。所述电流传感器组件90用于采集每相电感的工作电流信号。所述dsp控制电路100用于接收上位机下发的发电信号和发电电压指令值，并判断模数转换后的直流正组输入电压
和直流负组输入电压是否满足发电电压指令值，得到误差值。具体的，所述dsp控制电路100控制igbt功率组件按给定开关占空比进行有序通断，输出额定电压。
71.请参阅图2，图2为本技术实施例提供的装甲车辆用正负双路主机电源的软件控制模型的控制原理图。所述正负组整流模块组件10包括正组整流模块s1和负组整流模块s2，所述正组整流模块s1的输入端用于接收双绕组永磁同步电机转动后产生的正组交流输入电压，所述正组整流模块s1的负极与接地母线相连接，所述负组整流模块s2的输入端用于接收双绕组永磁同步电机转动后产生的负组交流输入电压，所述负组整流模块s2的正极与接地母线相连接。
72.如图2所示，所述正负组输入滤波电容组件20包括正组输入滤波电容c
i1
和负组输入滤波电容c
i2
，所述正组输入滤波电容c
i1
的正极与所述正组整流模块s1的正极相连接，所述正组输入滤波电容c
i1
的负极与正组整流模块s1的负极、接地母线相连接，所述负组输入滤波电容c
i2
的正极与所述正组整流模块s2的正极、接地母线相连接，所述负组输入滤波电容c
i2
的负极与正组整流模块s2的负极相连接。
73.如图2所示，所述正负组igbt功率模块组件30包括正组igbt功率模块组件g1和负组igbt功率模块组件g2，所述正组igbt功率模块组件g1的正极与所述正组整流模块s1的正极、正组输入滤波电容c
i1
的正极相连接，所述负组igbt功率模块组件g2的负极与所述正组整流模块s2的负极、负组输入滤波电容c
i2
的负极相连接。
74.如图2所示，所述正负组续流二极管组件40包括正组续流二极管组件d1和负组续流二极管组件d2，所述正组续流二极管组件d1的正极与接地母线相连接，所述正组续流二极管组件d1的负极与正组igbt功率模块组件g1的负极相连接，所述负组续流二极管组件d2的负极与接地母线相连接，所述负组续流二极管组件d2的正极与负组igbt功率模块组件g2的正极相连接。
75.如图2所示，所述正负组滤波电感组件50包括正组滤波电感l1和负组滤波电感l2，所述正组滤波电感l1的正极与正组igbt功率模块组件g1的负极、正组续流二极管组件d1的负极连接，所述负组滤波电感l2的负极与负组igbt功率模块组件g2的正极、负组续流二极管组件d2的正极连接。
76.如图2所示，所述正负组支撑电容组件60包括正组支撑电容c
o1
和负组支撑电容c
o2
，所述正组支撑电容c
o1
的负极与接地母线相连接，所述正组支撑电容c
o1
的正极连接正组滤波电感l1的负极以及共模滤波器70的输入端，所述负组支撑电容c
o2
的正极与接地母线相连接，所述负组支撑电容c
o2
的负极连接负组滤波电感l2的正极以及共模滤波器70的输入端。
77.请参阅图2、图3，图2为本技术实施例提供的装甲车辆用正负双路主机电源的软件控制模型的控制原理图。图2中以正组举例说明。图3为本技术一种装甲车辆用正负双路主机电源的工作方法的工作流程图。一种装甲车辆用正负双路主机电源的工作方法，包括上述的装甲车辆用正负双路主机电源，所述装甲车辆用正负双路主机电源的工作方法包括：
78.首先双绕组永磁同步电机转动后，产生正组交流输入电压与负组交流输入电压。
79.步骤s1、通过正负组整流模块组件10接收双绕组永磁同步电机转动后产生的正组交流输入电压和负组交流输入电压，并对所述正组交流输入电压和负组交流输入电压进行整流，得到直流正组输入电压和直流负组输入电压。
80.步骤s2、通过电压传感器组件80采集直流正组输入电压和直流负组输入电压，并将直流正组输入电压和直流负组输入电压进行数模转换，转换后的信号发送至dsp控制电路100。
81.步骤s3、通过电流传感器组件90采集正负组滤波电感组件50中的每相电感电流，并将电流进行数模转换后的信号发送至dsp控制电路100。
82.步骤s4、所述dsp控制电路100判断模数转换后的直流正组输入电压和直流负组输入电压是否大于发电电压指令值
±
28v，若是，则将正负组输出电压的采样值与发电电压指令值
±
28v进行比较，得到误差值。
83.步骤s5、将所述误差值输入至控制模型的电压控制环的pi控制器和限幅器解算，得到电流控制环的给定值。
84.步骤s6、将所述电流控制环的给定值同时输入至三个正组电流控制环和三个负组电流控制环，得到的输出值分别与每相电感电流计算误差，得到的误差值经过各个电流控制环的pi控制器和限幅器解算，得到每相开关信号。
85.步骤s7、所述每相开关信号控制正负组igbt功率模块组件30按照给定的占空比和交错相位开通与关断。
86.步骤s8、通过共模滤波器70的输出端即为正组正极、负组负极输出56v驱动电源。
87.请参阅图4，图4为本技术一种装甲车辆用正负双路主机电源的工作方法的步骤s7的工作流程图。步骤s7中的所述每相开关信号控制正负组igbt功率模块组件30按照给定的占空比和交错相位开通与关断包括：
88.步骤s71、igbt功率模块组件30开通时，电流经过igbt功率模块组件30为正组滤波电感l1、负组滤波电感l2储能，并为正组支撑电容c
o1
、负组支撑电容c
o2
充电。
89.步骤s72、igbt功率模块组件30关断时，所述正组滤波电感l1、负组滤波电感l2储存的电能经过正组续流二极管组件d1、负组续流二极管组件d2释放，为正组支撑电容c
o1
、负组支撑电容c
o2
充电。
90.通过实时调节igbt功率模块组件30的每相开关信号的占空比，实现在正负组输入电压变化情况下，正负组输出电压稳定为发电电压指令值
±
28v。从正组正极、负组负极两点输出可输出56v驱动电源。
91.由于正负组采用了三相交错并联主功率回路结构，各相igbt按照不同相位交错开通。由于结构布局的差异和元器件的离散型，各相的寄生参数会有一定的差别。这种差别会导致运行过程中各相电流不均衡，造成损耗增加、效率降低甚至器件烧毁的后果。因此，还采用了均流控制方法，通过dsp控制电路100主动控制各相电流，对每一相的电感电流分别使用单独的电流控制环进行控制，因此本发明保证每一相的输出电流均衡，保证电源稳定、可靠、高效运行。
92.综上所述，本发明的装甲车辆用正负双路主机电源用于实现在坦克装甲车辆主机发电机正常运行时，发出正负双路28v直流电压，为车载用电设备提供符合国军标要求的
±
28v直流电源及56v驱动电源。
93.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完
成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。