CN109018378B - 油电混合供电***及其发电控制装置及方法、无人机 - Google Patents

油电混合供电***及其发电控制装置及方法、无人机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了油电混合供电***及其发电控制装置及方法、无人机，所述发电控制装置包括：采样电路，用于对整流电路输入端的交流电信号和整流电路输出端的直流电信号进行采样，获得交流采样信号和直流采样信号；位置传感器，用于根据交流采样信号获得电机的转子位置；模式控制器，用于根据直流采样信号获得所述油电混合供电***的工作模式；主控制器，用于根据交流采样信号、直流采样信号、转子位置以及工作模式产生控制信号；驱动电路，用于根据控制信号获得整流电路的驱动信号。本发明公开的油电混合供电***及其发电控制装置及方法、无人机，解决了无人机负载突变带来的负面影响，增加了油电混合供电***的稳定性与可靠性。

Description

油电混合供电***及其发电控制装置及方法、无人机
技术领域
本发明涉及混合供电技术领域，具体涉及一种油电混合供电***及其发电控制装置及方法、无人机。
背景技术
无人机因其具有无需机载驾驶员、操控简单方便、成本低廉等优势，被广泛应用在航拍、植保、快递运输、灾难救援、测绘、新闻报道、电力巡检、影视拍摄等众多领域。根据供电方式的不同，无人机可分为蓄电池供电的无人机、燃油供电的无人机以及油电混合供电的无人机。蓄电池供电的无人机续航时间短、载重量小，燃油供电的无人机操控复杂、稳定性差，均难以适应工业级无人机需求。油电混合供电的无人机因其具有油动载重大、续航强，电动易操控、稳定性强的双重优势，受到了国内外无人机厂商的高度青睐。
图1是应用于无人机中的油电混合供电***的结构示意图，所述油电混合供电***包括发动机11、电机12、整流电路13、蓄电池14以及发电控制装置15。其中，所述发动机11用于驱动所述电机12运转；所述电机12用于将机械能转换为电能，输出三相交流电；所述整流电路13用于将所述三相交流电转换为直流电，并对所述蓄电池14进行充电；所述蓄电池14用于协同供能；所述发电控制装置15用于产生驱动信号，控制所述整流电路13工作。
然而，所述发电控制装置15多采用效率低下的被动整流方案，当受强风干扰或进行大幅度爬升、加减速时，无人机所需功率剧烈变化甚至超出所述油电混合供电***所能提供的最大功率，导致所述油电混合供电***出现无法应对无人机负载突变的问题。
发明内容
本发明所要解决的是现有的油电混合供电***无法应对无人机负载突变的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种油电混合供电***及其发电控制装置，所述油电混合供电***包括发动机、电机、整流电路以及蓄电池，所述发电控制装置包括：
采样电路，用于对所述整流电路输入端的交流电信号和所述整流电路输出端的直流电信号进行采样，获得交流采样信号和直流采样信号；
位置传感器，用于根据所述交流采样信号获得所述电机的转子位置；
模式控制器，用于根据所述直流采样信号获得所述油电混合供电***的工作模式，所述工作模式为恒压模式、恒流模式或者恒功率模式；
主控制器，用于根据所述交流采样信号、所述直流采样信号、所述转子位置以及所述工作模式产生控制信号；
驱动电路，用于根据所述控制信号获得所述整流电路的驱动信号。
可选的，所述直流采样信号包括直流采样电压和直流采样电流，所述模式控制器包括：
输出功率获得模块，用于根据所述直流采样电压和所述直流采样电流获得所述整流电路的输出功率；
第一判断模块，用于判断所述输出功率是否小于所述油电混合供电***的额定功率；
恒压模式确定模块，用于在所述输出功率小于所述额定功率时，确定所述工作模式为所述恒压模式；
第二判断模块，用于在所述输出功率不小于所述额定功率时，判断所述直流输出电流是否小于所述油电混合供电***的额定电流；
恒功率模式确定模块，用于在所述直流输出电流小于所述额定电流时，确定所述工作模式为所述恒功率模式；
恒流模式确定模块，用于在所述直流输出电流不小于所述额定电流时，确定所述工作模式为所述恒流模式。
可选的，所述位置传感器为无速度传感器。
可选的，所述主控制器为中央处理器或者数字信号处理器。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种油电混合供电***的发电控制方法，所述油电混合供电***包括发动机、电机、整流电路以及蓄电池，所述发电控制方法包括：
对所述整流电路输入端的交流电信号和所述整流电路输出端的直流电信号进行采样，获得交流采样信号和直流采样信号；
根据所述交流采样信号获得所述电机的转子位置；
根据所述直流采样信号获得所述油电混合供电***的工作模式，所述工作模式为恒压模式、恒流模式或者恒功率模式；
根据所述交流采样信号、所述直流采样信号、所述转子位置以及所述工作模式产生控制信号；
根据所述控制信号获得所述整流电路的驱动信号。
可选的，所述直流采样信号包括直流采样电压和直流采样电流，所述根据所述直流采样信号获得所述油电混合供电***的工作模式包括：
根据所述直流采样电压和所述直流采样电流获得所述整流电路的输出功率；
判断所述输出功率是否小于所述油电混合供电***的额定功率；
若所述输出功率小于所述额定功率，则确定所述工作模式为所述恒压模式，否则判断所述直流输出电流是否小于所述油电混合供电***的额定电流；
若所述直流输出电流小于所述额定电流，则确定所述工作模式为所述恒功率模式，否则确定所述工作模式为所述恒流模式。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种油电混合供电***，包括发动机、电机、整流电路、蓄电池以及上述发电控制装置；
所述发动机用于驱动所述电机运转；
所述电机用于将机械能转换为电能，产生所述交流电信号；
所述整流电路用于将所述交流电信号转换为所述直流电信号，并对所述蓄电池进行充电；
所述发电控制装置用于产生所述驱动信号，控制所述整流电路工作。
可选的，所述整流电路包括三个IGBT组，每个IGBT组的输入端对应连接所述电机定子三相中的其中一相，每个IGBT组的第一输出端连接所述蓄电池的正极，每个IGBT组的第二输出端连接所述蓄电池的负极，每个IGBT组的控制端对应接收一个驱动信号；
所述IGBT组包括第一IGBT、第二IGBT以及反相器，所述第一IGBT的集电极作为所述IGBT组的第一输出端，所述第一IGBT的发射极连接所述第二IGBT的集电极并作为所述IGBT组的输入端，所述第一IGBT的栅极连接所述反相器的输出端，所述反相器的输入端连接所述第二IGBT的栅极并作为所述IGBT组的控制端，所述第二IGBT的发射极作为所述IGBT组的第二输出端。
可选的，所述电机为永磁同步电机。
基于同样的发明构思，本发明还提供一种无人机，包括上述油电混合供电***。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的油电混合供电***及其发电控制装置及方法，通过对整流电路输出端的直流电信号进行采样获得直流采样信号，并根据所述直流采样信号确定所述油电混合供电***的工作模式。当无人机所需功率发生变化时，所述整流电路输出端的直流电信号进行相应变化，所述直流采样信号跟随所述直流电信号变化，因而根据所述直流采样信号的不同，可以控制所述油电混合供电***工作在不同的模式下，适应所述无人机所需的功率变化，从而解决了无人机负载突变带来的负面影响，增加了所述油电混合供电***的稳定性与可靠性。在本发明实施例的一个可选方式中，采用基于大功率IGBT的全控整流桥作为所述整流电路，极大地减少了所述整流电路交流侧的电流谐波，提高了所述整流电路的功率因数，整流效率提高到百分之九十六以上。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是现有的油电混合供电***的结构示意图；
图2是本发明实施例的油电混合供电***的结构示意图；
图3是本发明实施例的整流电路的电路图；
图4是本发明实施例的位置传感器的结构示意图；
图5是本发明实施例的主控器的控制模式示意图；
图6是本发明实施例的整流电路输出的直流电压示意图；
图7是本发明实施例的发电控制方法的流程图；
图8是本发明实施例的获得油电混合供电***的工作模式的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供一种油电混合供电***，图2是所述油电混合供电***的结构示意图，所述油电混合供电***包括发动机11、电机12、整流电路13、蓄电池14以及发电控制装置15。
具体地，所述发动机11用于驱动所述电机12运转。所述发动机11上可配置燃料箱，或连接有外置的燃料箱。所述发动机11的种类可为多种，燃料可选用汽油、重油、汽油与润滑油的混合物、重油与润滑油的混合物或其他类似燃料的燃油发动机。所述电机12用于将机械能转换为电能，产生交流电信号。所述电机12可以为高效的永磁同步电机，所述永磁同步电机的工作转速和扭矩特性与所述发动机11相匹配。所述整流电路13用于将所述交流电信号转换为所述直流电信号，并对所述蓄电池14进行充电。进一步，所述整流电路13可以为基于MOSFET的三相桥式全控整流电路。为减少所述整流电路13交流侧的电流谐波，提高了所述整流电路13的功率因数，本实施例提供一种基于IGBT的三相桥式全控整流电路。
图3是所述整流电路13的电路图，所述整流电路13包括三个绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)组。第一个IGBT组包括第一IGBT Q11、第二IGBT Q12以及反相器A1，第二个IGBT组包括第一IGBT Q21、第二IGBT Q22以及反相器A2，第三个IGBT组包括第一IGBT Q31、第二IGBT Q32以及反相器A3。每个IGBT组的输入端对应连接所述电机12定子三相中的其中一相，每个IGBT组的第一输出端连接所述蓄电池14的正极，每个IGBT组的第二输出端连接所述蓄电池14的负极，每个IGBT组的控制端对应接收一个驱动信号。由于每个IGBT组的结构都相同，下面以第一个IGBT组为例说明所述IGBT组的具体电路结构。
所述第一IGBT Q11的集电极作为第一个IGBT组的第一输出端，所述第一IGBT Q11的发射极连接所述第二IGBT Q12的集电极并作为第一个IGBT组的输入端，所述第一IGBTQ11的栅极连接所述反相器A1的输出端，所述反相器A1的输入端连接所述第二IGBT Q12的栅极并作为第一个IGBT组的控制端，所述第二IGBT Q12的发射极作为第一个IGBT组的第二输出端。
本实施例采用基于IGBT的三相桥式全控整流电路作为所述整流电路13，能够极大地减少所述整流电路13交流侧的电流谐波，提高所述整流电路13的功率因数。并且，每个IGBT组中两个串联的IGBT通过反相器输入互补的驱动信号，相当于一个驱动信号驱动两个IGBT，降低了控制的复杂程度。
继续参考图2，所述发电控制装置15用于产生所述驱动信号，控制所述整流电路13工作。具体地，所述发电控制装置15包括采样电路21、位置传感器22、模式控制器23、主控制器24以及驱动电路25。
具体地，所述采样电路21用于对所述整流电路13输入端的交流电信号和所述整流电路13输出端的直流电信号进行采样，获得交流采样信号和直流采样信号。所述交流电信号为所述整流电路13的输入信号，即所述电机12的输出信号，对所述交流电信号进行采样获得的交流采样信号包括交流采样电压和交流采样电流；所述直流电信号为所述整流电路13的输出信号，即所述蓄电池4的输入信号，对所述直流电信号进行采样获得的直流采样信号包括直流采样电压和直流采样电流。所述采样电路21可采用现有的电路实现，例如，采用互感器对所述整流电路输入端的交流电信号进行采样，采用电阻分压电路对所述整流电路输出端的直流电信号进行采样。
所述位置传感器22用于根据所述交流采样信号获得所述电机12的转子位置。在本实施例中，所述位置传感器22为无速度传感器。图4是所述无速度传感器的结构示意图，所述无速度传感器包括滑模电流观测器、砰-砰控制器、低通滤波器(LPF，Low Pass Filter)、磁链角计算器以及磁链角校正器。本领域技术人员知晓所述无速度传感器的结构和工作原理，在此不再赘述。
所述模式控制器23用于根据所述直流采样信号获得所述油电混合供电***的工作模式，所述工作模式为恒压模式、恒流模式或者恒功率模式。进一步，所述模式控制器23包括输出功率获得模块、第一判断模块、恒压模式确定模块、第二判断模块、恒功率模式确定模块以及恒流模式确定模块。
具体地，所述输出功率获得模块用于根据所述直流采样电压和所述直流采样电流获得所述整流电路13的输出功率。根据所述直流采样电压和所述直流采样电流的大小，可以获得所述整流电路13的输出电压和所述整流电路13的输出电流，根据所述整流电路13的输出电压和所述整流电路13的输出电流，可获得所述输出功率。所述第一判断模块用于判断所述输出功率是否小于所述油电混合供电***的额定功率，所述额定功率为所述油电混合供电***长时间稳定输出的功率。所述恒压模式确定模块用于在所述输出功率小于所述额定功率时，确定所述工作模式为所述恒压模式。所述第二判断模块用于在所述输出功率不小于所述额定功率时，判断所述直流输出电流是否小于所述油电混合供电***的额定电流，所述额定电流为所述油电混合供电***长时间稳定输出的电流。所述恒功率模式确定模块用于在所述直流输出电流小于所述额定电流时，确定所述工作模式为所述恒功率模式。所述恒流模式确定模块用于在所述直流输出电流不小于所述额定电流时，确定所述工作模式为所述恒流模式。进一步，所述模式控制器23可以通过输出不同的数字信号或者不同的模拟信号代表不同的工作模式。例如，若采用输出不同的数字信号代表不同的工作模式，可用两位二进制数据代表不同的工作模式：采用二进制数据“00”代表恒压模式，采用二进制数据“01”代表恒流模式，采用二进制数据“10”代表恒功率模式。
所述主控制器24用于根据所述交流采样信号、所述直流采样信号、所述转子位置以及所述工作模式产生控制信号。在本实施例中，所述主控制器24采用电流内环、电压外环的控制模式，图5是所述主控制器24的控制模式图。所述主控制器24实时响应所述整流电路13直流侧的电压变化，稳定所述整流电路13直流侧的电压。当所述整流电路13直流侧突加负载时，所述主控制器24通过调节电流环来实现能量的传递。进一步，为保证所述电机2高速运行中的稳定性，所述主控制器24还增加了弱磁控制及抗转速抖动影响的前馈等环节。所述主控制器24通过空间矢量算法，得到PWM控制信号。需要说明的是，本发明实施例的改进点在于根据所述直流采样信号的不同确定所述油电混合供电***工作在不同模式下，而所述主控制器24根据所述交流采样信号、所述直流采样信号以及所述转子位置，并结合所述恒压模式、所述恒流模式以及所述恒功率模式中任一种模式产生所述控制信号为现有技术，所述主控制器24可以为中央处理器或者数字处理器。
所述驱动电路25用于根据所述控制信号获得所述整流电路13的驱动信号。所述控制信号的驱动能力通常很弱，因而需要所述驱动电路25对所述控制信号进行放大，以获得所述驱动信号。
为更好地说明本实施例的油电混合供电***的工作原理和技术效果，以下结合图6所示的所述整流电路13输出的直流电压进行说明：
所述发动机11启动稳定后，以额定转矩拖动所述电机2发电。通过所述采样电路21获得所述交流采样信号和所述直流采样信号，所述位置传感器22根据所述交流采样信号获得所述电机2的转子位置，所述模式控制器23根据所述直流采样信号获得所述油电混合供电***的工作模式。所述主控制器24根据所述交流采样信号、所述直流采样信号、所述转子位置以及所述工作模式，通过空间矢量算法得到PWM控制信号，并通过所述驱动电路25对所述控制信号进行放大，获得所述整流电路13的驱动信号。所述整流电路13在所述驱动信号的控制下，对所述电机2输出的交流电信号进行整流，得到稳定的直流电信号。
参考图6，当无人机工作在常态飞行模式(时间小于1s)时，由于无人机所需功率小于所述油电混合供电***的额定功率，即所述整流电路13的输出功率小于所述油电混合供电***的额定功率，所述模式控制器23确定所述油电混合供电***工作在恒压模式；当无人机急速爬升(时间为1s)时，无人机所需功率剧增，即所述整流电路13的输出功率不小于所述油电混合供电***的额定功率，所述模式控制器23确定所述油电混合供电***工作在恒功率模式，所述蓄电池14向负载供能，所述整流电路13的输出电压瞬间下降，所述整流电路13的输出电流急剧上升；当所述整流电路13的输出电流不小于所述油电混合供电***的额定电流时，所述模式控制器23确定所述油电混合供电***工作在恒流模式，有效地保护了所述蓄电池14的安全。之后，无人机停止爬升，所需功率变小，所述整流电路13的输出电压逐渐回升，所述油电混合供电***回到恒压模式。
本实施例提供的油电混合供电***及其发电控制装置，当无人机所需功率发生变化时，根据所述直流采样信号的不同，可以控制所述油电混合供电***工作在不同的模式下，适应所述无人机所需的功率变化，从而解决了无人机负载突变带来的负面影响，增加了所述油电混合供电***的稳定性与可靠性。
实施例2
本实施例提供一种发电控制方法，应用于油电混合供电***，所述油电混合供电***包括发动机、电机、整流电路以及蓄电池。图7是所述发电控制方法的流程图，所述发电控制方法包括：
步骤S71，对所述整流电路输入端的交流电信号和所述整流电路输出端的直流电信号进行采样，获得交流采样信号和直流采样信号；
步骤S72，根据所述交流采样信号获得所述电机的转子位置；
步骤S73，根据所述直流采样信号获得所述油电混合供电***的工作模式，所述工作模式为恒压模式、恒流模式或者恒功率模式；
步骤S74，根据所述交流采样信号、所述直流采样信号、所述转子位置以及所述工作模式产生控制信号；
步骤S75，根据所述控制信号获得所述整流电路的驱动信号。
进一步，所述直流采样信号包括直流采样电压和直流采样电流。图8是获得所述油电混合供电***的工作模式的流程图，所述获得所述油电混合供电***的工作模式包括：
步骤S81，根据所述直流采样电压和所述直流采样电流获得所述整流电路的输出功率；
步骤S82，判断所述输出功率是否小于所述油电混合供电***的额定功率；
若所述输出功率小于所述额定功率，执行步骤S83，确定所述工作模式为所述恒压模式，否则执行步骤S84，判断所述直流输出电流是否小于所述油电混合供电***的额定电流；
若所述直流输出电流小于所述额定电流，执行步骤S85，确定所述工作模式为所述恒功率模式，否则执行步骤S86，确定所述工作模式为所述恒流模式。
本实施例提供的发电控制方法具体实现可参考对实施例1的描述，在此不再赘述。
实施例3
本实施例提供一种无人机，所述无人机包括实施例1提供的油电混合供电***。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种油电混合供电***的发电控制装置，所述油电混合供电***包括发动机、电机、整流电路以及蓄电池，所述电机的工作转速和扭矩特性与所述发动机相匹配，所述发动机启动稳定后，以额定转矩拖动所述电机发电，其特征在于，所述发电控制装置包括：
采样电路，用于对所述整流电路输入端的交流电信号和所述整流电路输出端的直流电信号进行采样，获得交流采样信号和直流采样信号；
位置传感器，用于根据所述交流采样信号获得所述电机的转子位置；
模式控制器，用于根据所述直流采样信号获得所述油电混合供电***的工作模式，所述工作模式为恒压模式、恒流模式或者恒功率模式；
主控制器，用于根据所述交流采样信号、所述直流采样信号、所述转子位置以及所述工作模式产生控制信号；
驱动电路，用于根据所述控制信号获得所述整流电路的驱动信号；
所述直流采样信号包括直流采样电压和直流采样电流，所述模式控制器包括：
输出功率获得模块，用于根据所述直流采样电压和所述直流采样电流获得所述整流电路的输出功率；
第一判断模块，用于判断所述输出功率是否小于所述油电混合供电***的额定功率；
恒压模式确定模块，用于在所述输出功率小于所述额定功率时，确定所述工作模式为所述恒压模式；
第二判断模块，用于在所述输出功率不小于所述额定功率时，判断直流输出电流是否小于所述油电混合供电***的额定电流；
恒功率模式确定模块，用于在所述直流输出电流小于所述额定电流时，确定所述工作模式为所述恒功率模式；
恒流模式确定模块，用于在所述直流输出电流不小于所述额定电流时，确定所述工作模式为所述恒流模式。
2.根据权利要求1所述的油电混合供电***的发电控制装置，其特征在于，所述位置传感器为无速度传感器。
3.根据权利要求1所述的油电混合供电***的发电控制装置，其特征在于，所述主控制器为中央处理器或者数字信号处理器。
4.一种油电混合供电***的发电控制方法，所述油电混合供电***包括发动机、电机、整流电路以及蓄电池，所述电机的工作转速和扭矩特性与所述发动机相匹配，所述发动机启动稳定后，以额定转矩拖动所述电机发电，其特征在于，所述发电控制方法包括：
对所述整流电路输入端的交流电信号和所述整流电路输出端的直流电信号进行采样，获得交流采样信号和直流采样信号；
根据所述交流采样信号获得所述电机的转子位置；
根据所述直流采样信号获得所述油电混合供电***的工作模式，所述工作模式为恒压模式、恒流模式或者恒功率模式；
根据所述交流采样信号、所述直流采样信号、所述转子位置以及所述工作模式产生控制信号；
根据所述控制信号获得所述整流电路的驱动信号；
所述直流采样信号包括直流采样电压和直流采样电流，所述根据所述直流采样信号获得所述油电混合供电***的工作模式包括：
根据所述直流采样电压和所述直流采样电流获得所述整流电路的输出功率；
判断所述输出功率是否小于所述油电混合供电***的额定功率；
若所述输出功率小于所述额定功率，则确定所述工作模式为所述恒压模式，否则判断直流输出电流是否小于所述油电混合供电***的额定电流；
若所述直流输出电流小于所述额定电流，则确定所述工作模式为所述恒功率模式，否则确定所述工作模式为所述恒流模式。
5.一种油电混合供电***，其特征在于，包括发动机、电机、整流电路、蓄电池以及权利要求1至3任一项所述的发电控制装置；
所述发动机用于驱动所述电机运转；
所述电机用于将机械能转换为电能，产生所述交流电信号；
所述整流电路用于将所述交流电信号转换为所述直流电信号，并对所述蓄电池进行充电；
所述发电控制装置用于产生所述驱动信号，控制所述整流电路工作。
6.根据权利要求5所述的油电混合供电***，其特征在于，所述整流电路包括三个IGBT组，每个IGBT组的输入端对应连接所述电机定子三相中的其中一相，每个IGBT组的第一输出端连接所述蓄电池的正极，每个IGBT组的第二输出端连接所述蓄电池的负极，每个IGBT组的控制端对应接收一个驱动信号；
所述IGBT组包括第一IGBT、第二IGBT以及反相器，所述第一IGBT的集电极作为所述IGBT组的第一输出端，所述第一IGBT的发射极连接所述第二IGBT的集电极并作为所述IGBT组的输入端，所述第一IGBT的栅极连接所述反相器的输出端，所述反相器的输入端连接所述第二IGBT的栅极并作为所述IGBT组的控制端，所述第二IGBT的发射极作为所述IGBT组的第二输出端。
7.根据权利要求5所述的油电混合供电***，其特征在于，所述电机为永磁同步电机。
8.一种无人机，其特征在于，包括权利要求5至7任一项所述的油电混合供电***。
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