一种无人机启动发电一体式控制系统及其控制方法
阅读说明：本技术 一种无人机启动发电一体式控制系统及其控制方法 (Unmanned aerial vehicle starting and power generation integrated control system and control method thereof ) 是由 安斌 张立雄 李海飞 王水 周明 王磊 马远超 郭志永 袁钟达 杨健 王剑飞 于 2020-03-13 设计创作，主要内容包括：本发明属于无人机控制系统及方法,针对现有无人机发动机的启动和发电由两套独立的装置及其控制系统组成,不仅增加了无人机机体重量,也增加了航电系统在启动和发电过程中的复杂性,以及不稳定性,本发明提供一种无人机启动发电一体式控制系统及其控制方法,该系统包括发动机、直流无刷电机、启动发电一体式电路单元和启动电池；所述直流无刷电机与发动机的输出端同轴连接,启动时,启动电池为启动发电一体式电路单元供电,通过直流无刷电机带动发动机旋转至启动转速,发电时,启动发电一体式电路单元停止供电,直流无刷电机向启动发电一体式电路单元输出三相交流电,经整流、滤波后为机载设备和机载电池提供电能；控制方法是基于上述控制系统完成启动和发电的。(The invention belongs to a control system and a method of an unmanned aerial vehicle, and aims at the problems that the starting and the power generation of the engine of the existing unmanned aerial vehicle are composed of two independent devices and a control system thereof, the weight of the body of the unmanned aerial vehicle is increased, and the complexity and the instability of an avionic system in the starting and the power generation processes are also increased; the direct-current brushless motor is coaxially connected with the output end of the engine, when the direct-current brushless motor is started, the starting battery supplies power for the starting and power generation integrated circuit unit, the engine is driven to rotate to the starting rotating speed through the direct-current brushless motor, when the direct-current brushless motor generates power, the starting and power generation integrated circuit unit stops supplying power, the direct-current brushless motor outputs three-phase alternating current to the starting and power generation integrated circuit unit, and the three-phase alternating current is rectified and filtered to provide electric energy for airborne equipment and; the control method is based on the control system to complete starting and power generation.)
技术领域
本发明属于无人机控制系统及方法，具体涉及一种无人机启动发电一体式控制系统及其控制方法。
背景技术
在传统无人机领域，无人机用航空发动机的启动是借助启动电机和启动装置完成的，发动机启动以后启动装置将不再作用，由发电电机和发电装置共同进行工作，从而满足飞机续航要求。
发动机的启动是利用与其机械或传动相连接的启动电机在高速运动下带动发动机进行点火。在发动机启动以后，可将汽油等燃料的化学能转化为机械能，产生无人机飞行的动力。常用的启动电机种类较多，与其适配的启动装置也各不相同。
发动机的发电是利用与其机械或传动相连接的发电电机在发动机的带动下，将电机的机械能转化为电能。同样地，采用不同的发电电机，其发电装置也存在差异。
在上述无人机发动机的启动和发电系统中，启动和发电是两套独立的系统，对于无人机一类对重量敏感、对航电系统组成结构要求高的系统而言，该启动和发电方案不仅增加了无人机自身的重量，同时也增加了航电系统结构的复杂性和功能的不稳定性。
发明内容
本发明提供一种无人机启动发电一体式控制系统及其控制方法。主要目的在于解决现有技术中无人机发动机的启动和发电依托于两套独立的系统，不仅增加了无人机自身重量，也增加了航电系统的结构复杂性和功能的不稳定性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种无人机启动发电一体式控制系统，其特殊之处在于：包括发动机、直流无刷电机、启动发电一体式电路单元和启动电池；所述直流无刷电机与所述发动机的输出端同轴连接；
所述启动电池，用于为启动发电一体式电路单元供电；
所述启动发电一体式电路单元，用于接收启动指令，并给直流无刷电机供电；启动发电一体式电路单元检测到发动机达到启动转速后停止给直流无刷电机供电；
所述直流无刷电机，用于在启动发电一体式电路单元供电后带动发动机工作；
所述发动机，用于在发动机工作时带动直流无刷电机旋转，使直流无刷电机绕组产生三相交流电，并输出给启动发电一体式电路单元，经启动发电一体式电路单元整流、滤波后向机载设备和机载电池提供电能。
进一步地，所述启动发电一体式电路单元包括控制电路、驱动电路、功率电路；
所述启动电池为直流24V电池，分别为控制电路、驱动电路、功率电路供电；
所述控制电路包括24-12V降压模块、12-5V降压模块、5-3.3V降压模块、微控制器最小系统；所述24-12V降压模块、12-5V降压模块和5-3.3V降压模块将启动电池的24V电压降为3.3V工作电压，用于为微控制器最小系统供电；所述24-12V降压模块将启动电池的24V电压降为12V工作电压，用于为驱动电路模块供电；所述微控制器最小系统，用于在收到启动信号后向驱动电路输出六路PWM方波；
所述驱动电路用于根据控制电路输出的六路PWM方波来驱动功率电路产生三相交流电；
所述功率电路，当启动发电一体式电路单元向直流无刷电机输电时，用于将直流电逆变为三相交流电，使直流无刷电机工作；当直流无刷电机向启动发电一体式电路单元输电时，用于将三相交流电整流为直流电，为机载设备和机载电池提供电能。
进一步地，所述功率电路包括六个MOSFET和六个SBD；
所述驱动电路中，每个驱动芯片分别连接两个MOSFET，每个MOSFET的漏极和源极之间并联一个SBD，每个驱动芯片相连的下桥MOSFET的源极接地，每个驱动芯片相连的上桥MOSFET的源极分别与直流无刷电机的三相绕组连接，每个驱动芯片相连的上桥MOSFET的漏极与启动电池的正极相连。
进一步地，所述功率电路与机载设备之间设有稳压模块。
进一步地，所述微控制器最小系统通过无人机遥控接收启动指令。
进一步地，所述微控制器通过串口通信电路接收启动指令。
进一步地，所述直流无刷电机上安装有霍尔传感器，所述霍尔传感器与微控制器最小系统相连。
进一步地，所述微控制器最小系统还连接有安全启动线开关，仅在安全启动线开关闭合时，微控制器最小系统允许接收启动指令。
一种无人机启动发电一体式控制系统的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，发动机启动
所述启动电池为启动发电一体式电路单元供电，启动发电一体式电路单元接收启动指令，给直流无刷电机供电，由直流无刷电机带动发动机工作，直至发动机转速达到启动速度；
S2，发动机发电
启动发电一体式电路单元停止向直流无刷电机输出电流；发动机带动直流无刷电机旋转产生三相交流电；
S3，直流无刷电机供电
直流无刷电机向启动发电一体式电路单元输出三相交流电，经启动发电一体式电路单元整流、滤波后向机载设备和机载电池提供电能。
进一步地，所述S3具体为，当所述发动机转速大于等于预设转速值时，持续执行S3；当所述发动机转速小于预设转速值时，启动发电一体式电路单元停止向机载设备和机载电池提供电能，由机载电池向机载设备供电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的无人机启动发电一体式控制系统，使无人机的启动和发电依托于一套控制系统，直流无刷电机与所述发动机的输出端同轴连接，启动时直流无刷电机能够带动发动机工作，发电时发动机也能够带动直流无刷电机同步旋转，有效减少了无人机的自身重量，降低了航电系统结构的复杂性，同时增强了航电功能的稳定性。
2.本发明通过启动电池为启动发电一体式电路单元供电，启动发电一体式电路单元包括了控制电路和功率电路。启动时，启动电池的24V电压经降压后为微控制器最小系统供电，驱动电路将微控制器最小系统输送的六路PWM方波转换后输送至功率电路，经逆变后向直流无刷电机输出三相交流电；发电时，功率电路将三相交流电整流为直流电后向机载设备和机载电池提供电能。利用该启动发电一体式电路单元完成启动发电一体控制。
3.本发明的功率电路包括六个MOSFET和六个SBD，六个SBD分别并联于每个MOSFET的漏极和源极之间，可以防止电机在旋转过程中产生的反电动势击穿MOSFET。
4.本发明的功率电路与机载设备之间设有稳压模块，保证输出到机载设备的电压稳定。
5.本发明的发动机启动可以通过遥控指令发出，便于地面人员调试操作。
6.本发明的直流无刷电机上安装有霍尔传感器，用于检测当前直流无刷电机的位置信息。
7.本发明的微控制器最小系统连接有安全启动线开关，在安全启动线开关开启状态下，发出启动指令才能被执行，进一步确保控制系统的安全性。
8.本发明的无人机启动发电一体式控制系统的控制方法，启动时，发电一体式电路单元向直流无刷电机送电，直流无刷电机带动发动机工作，直至发动机转速达到启动速度；发电时，发动机带动直流无刷电机旋转，通过启动发电一体式电路单元，向机载设备和机载电池提供电能。本发动机的启动和发电能够依托于一套系统完成，控制方法简便。
9.本发明的机载设备所需电源，可在发电电源和机载电池之间切换，以保证无人机具有良好的续航能力。
附图说明
图1为本发明实施例的无人机启动发电一体式控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中启动发电一体式电路单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中启动发电一体式电路单元的电连接示意图；
图4为本发明实施例中启动控制流程示意图；
图5为本发明实施例中发电控制流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1，一种无人机启动发电一体式控制系统，包括发动机、直流无刷电机、启动发电一体式电路单元和启动电池，直流无刷电机与所述发动机的输出端同轴连接，满足无人机发动机的启动和发电功能需求。
在发动机启动时，启动电池为启动发电一体式电路单元供电，启动发电一体式电路单元接收到启动指令后，向直流无刷电机送电，利用直流无刷电机的高速旋转，使发动机达到一定转速后，即启动转速，发动机进行点火；点火成功后进入发电阶段，发动机通过同轴连接的直流无刷电机产生三相交流电，三相交流电通过启动发电一体式电路单元整流，将交流电转换为直流电位机载设备和机载电池供电。
如图2，上述的启动发电一体式电路单元包括控制电路和功率电路，其中的控制电路包括24-12V降压模块、12-5V降压模块、5-3.3V降压模块、微控制器最小系统和驱动电路模块。所述24-12V降压模块、12-5V降压模块和5-3.3V降压模块将启动电池的24V电压降为3.3V工作电压，用于为微控制器最小系统供电；所述24-12V降压模块将启动电池的24V电压降为12V工作电压，用于为驱动电路模块供电。微控制器最小系统接收到启动信号后，控制输出六路PWM方波至驱动电路，由驱动电路将微控制器最小系统输入的3.3V控制信号转换为12V的驱动信号后，输出到功率电路中的功率器件上，通过功率器件的开关实现大电流的输出，从而拖动直流无刷电机运动。当发动机转速达到发电要求时，由发动机同轴相连的直流无刷电机输出的三相交流电通过启动发电一体式电路单元中的三相整流桥电路将交流电转化为直流电，最后整流后的直流电通过稳压模块输出到机载设备和机载电池上，机载设备若自带稳压模块，则无需单设稳压模块。
如图3，控制电路中的微控制器最小系统连接串口通信电路、霍尔传感器检测电路和遥控接收电路。其中，串口通信电路作为微控制器最小系统与飞机控制器的通信桥梁；直流无刷电机上安装有霍尔传感器，霍尔传感器的检测电路用于反馈当前直流无刷电机的位置信息，使微控制器最小系统保持输出正确的PWM方波；另外，为方便地面人员调试，可通过遥控电路启动无人机发动机。驱动电路由3个相同的驱动芯片组成，能够将控制电路输入的六路PWM信号转换为12V能够驱动的MOSFET的PWM信号。功率电路包括六个MOSFET(场效应管)和六个SBD(肖特基整流二极管)；驱动电路内的每个驱动芯片分别连接两个MOSFET，对应为功率电路的上桥和下桥，每个MOSFET的漏极和源极之间并联一个SBD，每个驱动芯片对应下桥的MOSFET的源极接地，每个驱动芯片对应上桥的MOSFET的源极分别与直流无刷电机的三相绕组连接，每个驱动芯片对应上桥的MOSFET的漏极与启动电池的正极相连，PHA、PHB、PHC分别接直流无刷电机的三相绕组。在启动阶段通过六个MOSFET按一定的规则通断，从而使得直流无刷电机运动，在发电阶段，通过六个SBD将直流无刷电机绕组输出的三相交流电整流为一定范围的直流电压。
基于上述控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1，发动机启动
所述启动电池为启动发电一体式电路单元供电，启动发电一体式电路单元接收启动指令，向直流无刷电机送电，直流无刷电机得电后带动发动机工作，直至发动机转速达到启动速度；
S2，发动机发电
启动发电一体式电路单元停止向直流无刷电机输出电流；发动机带动直流无刷电机旋转；
S3，直流无刷电机供电
直流无刷电机向启动发电一体式电路单元输送三相交流电，经启动发电一体式电路单元整流后向机载设备和机载电池提供电能。
如图4，在启动控制中，整个控制系统上电后，首先进行初始化硬件配置，配置完成后进行状态检测。为了保证发动机启动阶段，地面工作人员的安全，微控制器最小系统还连接有安全启动线开关，在实际操作中，只有当地面工作人员将安全启动线开关闭合以后，才允许启动发动机，此处的安全启动线开关可以是实体的开关装置，也可以通过控制程序实现。
此外，系统还将实时检测直流无刷电机的霍尔传感器的信号、监控供电电池的电压，并按一定频率回报当前启动发电一体装置的状态。
当启动发电一体式电路单元接收到来自外部的启动信号，微控制器最小系统按预先设定好的启动方式向驱动电路输出相应的直流无刷电机控制信号。此外，微控制器最小系统还将继续回报当前装置的状态，在启动结束后，微控制器最小系统结束信号输出。
当系统启动结束后，由发动机通过直流无刷电机输出三相交流电，三相交流电通过装置内的三相整流桥电路将产生的交流电转换为直流电。其中，整流输出的电压大小由当前的转速决定，因此整流电压是一定区间范围的直流电压。为了能够利用该电压，还需要一个稳压模块，将该波动的整流电压转换成恒定的电压。
如图5，在发电控制过程中，发动机正常启动后，启动发电一体式电路单元实时回报当前启动发电一体式电路单元的状态信息，如电池电压、霍尔信号、安全启动线、转速等。在上述状态信息正常的条件下，进行发动机转速判断，当发动机转速大于4500rpm时候，机载设备由发电电路供电，在开始发电前，机载设备由机载电池供电。发电开始后，发电电路既可以给机载设备供电，还可以给机载电池充电。在接通发电与机载设备的供电通路后，一定程度上会降低发动机的转速。为保证发动机为无人机提供足够的飞行动力，当发动机转速小于3200rpm时，系统关闭发电与机载设备的供电通路，机载设备由机载电池供电。此处的发动机转速达到4500rpm进行发电，发动机转速低于3200rpm机载设备由机载电池供电，均为本实施例的设定值，具体操作时，可根据发动机参数进行具体设定。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。