一种小功率低压直流永磁起动发电机电源系统与设计方法
文献发布时间：2023-06-19 16:08:01
技术领域
本发明属于发动机电源技术领域，具体涉及一种小功率低压直流永磁起动发电机电源系统与设计方法。
背景技术
对于航空无人机，通过采用28V低压直流来为机载设备供电。通常无人机的用电功率小于4kW。起动时，涡轮发动机的点火转速为额定转速的10％～15％左右，起动助力转速通常为额定转速的20％～30％左右。正常发电时，涡轮发动机转速通常为50％～100％额定转速；在无人机准备降落时，涡轮发动机转速会降低到30％～40％额定转速，此时仍需要起动发电机系统能正常稳输出，只是输出功率允许适当降低。
永磁起动发电机电源系统包括永磁起动发电机和起动发电机控制器两部分，永磁起动发电机用于实现机械能与变压变频交流电能的转化。在起动状态，起动发电机控制器将起动电源提供的直流电能转化为变压变频交流电能，给永磁起动发电机供电；在发电状态，起动发电机控制器将永磁起动发电机输出的变压变频交流电能转化为28V稳压直流来给航空无人机上的设备供电。
航空航天领域对体积和重量较为敏感，如果能提高永磁起动发电机电源系统的效率，使永磁起动发电机电源系统的体积和重量大幅减小，将使永磁起动发电机电源系统具有显著的应用价值。
对于航空无人机用的永磁起动发电机电源系统，现有技术的永磁起动发电机和电源通常具有以下特征：
1)永磁起动发电机最低发电转速、满载下，对应的三相绕组线电压峰值略大于30V，最高发电转速、空载下对应的三相绕组线电压峰值小于90V；
2)起动发电机控制器包括起动控制器和发电控制器；
3)起动控制器包括升压DC/DC和DC/AC级，由于起动电源电压通常不能达到最高转速所需要的电压，所以需要采用DC/DC进行升压，DC/AC用于将直流电压转化为变压变频交流电，驱动永磁起动发电机拖动涡轮发动机启动；
4)发电控制器包括AC/DC级和DC/DC级，AC/DC级通常采用由二极管构成的三相不控整流电流实现将永磁起动发电机提供的变压变频交流电转为变压直流，在2倍转速、全负载范围的直流电压为30～90V；DC/DC级通常采用降压Buck斩波电路实现将30～90V的变压直流转化为28V的稳压直流，功率管通常选用200V耐压功率管，Buck电路通过二极管进行续流。
该方案存在的主要缺点包括以下方面：
1)起动控制器和发电控制器为两个独立硬件部分，体积和重量均较大；
2)由于发电控制器采用纯降压控制，永磁起动发电机输出电压偏高，为了满足起动转速要求，起动控制器不能仅采用DC/AC级，还需要添加升压的DC/DC，使起动控制器的体积和重量均大；
3)发电控制器中AC/DC级采用二极管进行整流，相对于MOS构成的同步整流电路，二极管导通压降偏大，导致整流效率偏低；
4)发电控制器中AC/DC级输出直流电压最高可达90V，DC/DC级功率管耐压需要为200V，相对于100V的MOS管，处理单位功率的损耗明显偏高；
5)发电控制器中，采用Buck电路的DC/DC级，通过二极管实现续流，相同于MOS构成的同步续流电路，续流损耗偏大；
6)发电控制器中，采用Buck电路的电源DC/DC级，由于工作于纯压降模式，在相同的输出纹波下，DC/DC级的电感体积偏大；
7)在无人机降落时，若起动发电机输入转速低于正常发电转速，不可实现稳压输出，起动发电机系统的稳压范围有限。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种小功率低压直流永磁起动发电机电源系统与设计方法。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种小功率低压直流永磁起动发电机电源系统与设计方法，包括永磁起动发电机，MOS管三相全桥，多个四管升降压模块，起动电源开关，二极管D
进一步的，所述MOS管三相全桥包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂和滤波电容C
进一步的，所述起动电源开关包括MOS管Q
进一步的，所述多个四管升降压模块的电路结构相同，对于任意一个四管升降压模块，均包括MOS管Q
进一步的，所述控制电路产生A、B、C相桥臂驱动信号的电路结构相同，对于任意一相桥臂，驱动信号G
一种小功率低压直流永磁起动发电机电源系统的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：永磁起动发电机需要使最低发电转速、满载下对应的三相绕组线电压峰值大于20V，最高发电转速、空载下对应的三相绕组线电压峰值小于60V；
步骤2：通过辅助电源实现对控制电路的供电；
步骤3：起动过程通过控制电路产生起动驱动信号使MOS管三相全桥输出三相变压变频交流电驱动永磁起动发电机由静止到发动机点火转速；
步骤4：在发动机到达发电转速之后，进入发电过程，起动发电机控制器将永磁起动发电机输出的三相变压变频交流电转化为稳定直流电压。
进一步的，所述步骤3中的起动过程包括以下步骤：
步骤31：控制电路输出使能信号E
步骤32控制电路输出50％占空比控制信号G
步骤33：控制电路中DSP采用准速度外环，电流内环的控制策略，通过正弦空间矢量脉冲宽度调制SVPWM控制产生起动控制信号G
步骤34：DSP产生起动发电状态切换信号S
进一步的，所述步骤4中发电过程包括以下步骤：
步骤41：控制电路输出控制信号G
步骤42：控制电路输出使能信号E
步骤43：控制电路产生发电驱动信号使MOS管三相全桥工作于同步整流状态，将永磁起动发电机输出三相交流转化为直流电压V
步骤44：通过多个四管升降压模块将变压直流V
进一步的，所述步骤43控制电路产生发电驱动信号使MOS管三相全桥工作于同步整流状态，将永磁起动发电机输出三相交流转化为直流电压V
步骤431：DSP产生起动发电状态切换信号S
步骤432：将正电流阀值参考信号I
步骤433：当i
步骤434：当i
进一步的，所述步骤44的多个四管升降压模块将变压直流V
步骤441：当V
步骤442：当V
本发明的有益效果在于：1、提出的一种小功率低压直流永磁起动发电机电源系统及设计方法，适合于采用涡轮发动机的28V低压直流航空电源系统，可应用于航空无人机；
2、发电时，永磁起动发电机整流后输出电压由30V～90V变化20V～60V，由于永磁起动发电机的反电势常数的降低，28V起动电源即可满足起动发动机需要，故省去了传统起动控制器中的升压DC/DC，提高了功率密度；
3、传统方案中起动时单向的DC/AC和发电时单向的AC/AC被一个由MOS管三相全桥构成的双向AC/DC替换，实现了硬件功能复位，提高了功率密度；
4、发电状态时，MOS管三相全桥采用同步整流电路，相对于传统采用二极管构成的整流电路，MOS管导通压降明显减小，整流效率得到了显著提升；
5、发电状态时，MOS管三相全桥输出直流电压最高仅为60V，对于由四管升降压电路构成稳压DC/DC级，功率管仅需要100V耐压即可，而传统由Buck电路构成的稳压DC/DC级，则需要采200V耐压的MOS管，由于100V的MOS管比200V的MOS管处理单位功率的损耗明显降低，故由四管升降压电路构成稳压DC/DC级损耗明显降低；
6、稳压DC/DC级所采用的四管升降压电路在续流状态下，通过MOS管实现同步整流，相对于传统采用二极管实现续流的Buck电路，续流时，功率管导通压降降低，续流损耗明显降低；
7、稳压DC/DC级所采用的四管升降压电路克服了传统Buck电路工作于纯压降模式，DC/DC级的电感体积偏大的不足；
8、由于四管升降压电路工作于升降压状态，故在无人机降落，起动发电机转速低于正常最低发电转速时，也可稳压输出28V直流，稳压状态下输入电压范围为10～60V，可达6倍，而传统Buck电路稳压状态下输入电压范围为30V～90V，仅可达3倍，稳压状态下的输入电压范围得到了显著提升。
附图说明
图1为本发明的永磁起动发电机电源系统结构框图；
图2为本发明的MOS管三相全桥电路图；
图3为本发明的起动电源开关电路图；
图4为本发明的四管升降压四管升降压模块电路图；
图5为本发明的MOS管三相全桥中任意一相桥臂驱动信号产生原理；
图6为本发明的起动控制原理图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
本实施例为1.5kW永磁起动发电机电源系统，永磁起动发电机电源系统包括永磁起动发电机和起动发电机控制器两部分。永磁同步发电机的最高发电转速为最低发电机转速的2倍。电源输出为28VDC，输出功率为1.5kW。实施例应用背景为采用涡轮发动机的航空无人机，机载设备采用28V的LVDC电源系统。
图1所示为永磁起动发电机电源系统结构框图，一种小功率低压直流永磁起动发电机电源系统，包括永磁起动发电机，MOS管三相全桥，四管升降压模块1、2……n，起动电源开关，二极管D
辅助电源基于TI公司的LM5116MHX芯片实现，该芯片可承受100V的最高输入电压。电流传感器S
发电时，永磁起动发电机整流后输出电压由30V～90V变化20V～60V，由于永磁起动发电机的反电势常数的降低，28V起动电源即可满足起动发动机需要，故省去了传统起动控制器中的升压DC/DC，提高了功率密度。
传统方案中起动时单向的DC/AC和发电时单向的AC/AC被一个由MOS管三相全桥构成的双向AC/DC替换，实现了硬件功能复位，提高了功率密度。
图2所示为MOS管三相全桥电路图。所述MOS管三相全桥包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂和滤波电容C
对于任意一Y相桥臂，Y＝A、B或C，Q
发电状态时，MOS管三相全桥采用同步整流电路，相对于传统采用二极管构成的整流电路，MOS管导通压降明显减小，整流效率得到了显著提升。
图3所示为起动电源开关电路图。所述起动电源开关包括MOS管Q
MOS管Q
图4所示为四管升降压四管升降压模块电路图。所述四管升降压模块1、2……n的电路结构相同，对于任意一四管升降压模块z，z＝1、2……n，包括MOS管Q
四管升降压模块采用升华公司的NSL28U2K4H60SN，大小为63.14×60.6×12.7mm，重量为165g。有效输入电压范围为9～60V，最大输入电流为47A，输出电压可调范围为0～60V，最大输出电流为40A。可通过调压外围电阻的方式使输出电压为28V直流，单个四管升降模块可实现输出功率为900W。
发电状态时，MOS管三相全桥输出直流电压最高仅为60V，对于由四管升降压电路构成稳压DC/DC级，功率管仅需要100V耐压即可，而传统由Buck电路构成的稳压DC/DC级，则需要采200V耐压的MOS管，由于100V的MOS管比200V的MOS管处理单位功率的损耗明显降低，故由四管升降压电路构成稳压DC/DC级损耗明显降低。
稳压DC/DC级所采用的四管升降压电路克服了传统Buck电路工作于纯压降模式，DC/DC级的电感体积偏大的不足。
图5所示为MOS管三相全桥中任意一相桥臂驱动信号产生原理。所述控制电路产生A、B、C相桥臂驱动信号的电路结构相同，对于任意一Y相桥臂，Y＝A、B或C，驱动信号G
比较器C
一种小功率低压直流永磁起动发电机电源系统的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：永磁起动发电机需要使最低发电转速、满载下对应的三相绕组线电压峰值大于20V，最高发电转速、空载下对应的三相绕组线电压峰值小于60V；
步骤2：通过辅助电源实现对控制电路的供电；
步骤3：起动过程通过控制电路产生起动驱动信号使MOS管三相全桥输出三相变压变频交流电驱动永磁起动发电机由静止到发动机点火转速；
步骤4：在发动机到达发电转速之后，进入发电过程，起动发电机控制器将永磁起动发电机输出的三相变压变频交流电转化为稳定直流电压。
步骤3所述的起动过程控制，包括以下步骤：
步骤31：控制电路输出使能信号E
步骤32控制电路输出50％占空比控制信号G
步骤33：控制电路中DSP采用准速度外环，电流内环的控制策略，通过正弦空间矢量脉冲宽度调制SVPWM控制产生起动控制信号G
步骤34：DSP产生起动发电状态切换信号S
G
步骤3中步骤33的工作原理如图6所示。准速度外环采用查收方式实现，电流内环采用i
步骤4所述的发电过程控制，包括以下步骤：
步骤41：控制电路输出控制信号G
步骤42：控制电路输出使能信号E
步骤43：控制电路产生发电驱动信号使MOS管三相全桥工作于同步整流状态，将永磁起动发电机输出三相交流转化为直流电压V
步骤44：通过多个四管升降压模块将变压直流V
步骤4中步骤43所述的控制电路产生任意一相桥臂驱动信号G
步骤431：DSP产生起动发电状态切换信号S
步骤432：将正电流阀值参考信号I
步骤433：当i
步骤434：当i
步骤4中步骤44所述的任意一个四管升降压模块z，z＝1、2……n，包括以下步骤：
步骤441：当V
步骤442：当V
稳压DC/DC级所采用的四管升降压电路在续流状态下，通过MOS管实现同步整流，相对于传统采用二极管实现续流的Buck电路，续流时，功率管导通压降降低，续流损耗明显降低。
由于四管升降压电路工作于升降压状态，故在无人机降落，起动发电机转速低于正常最低发电转速时，也可稳压输出28V直流，稳压状态下输入电压范围为10～60V，可达6倍，而传统Buck电路稳压状态下输入电压范围为30V～90V，仅可达3倍，稳压状态下的输入电压范围得到了显著提升。本发明提出的一种小功率低压直流永磁起动发电机电源系统及设计方法，适合于采用涡轮发动机的28V低压直流航空电源系统，可应用于航空无人机。