一种航空低压直流用的小功率永磁同步发电机电源系统及控制方法与流程

1.本发明属于电源技术领域，具体涉及一种航空低压直流用的小功率永磁同步发电机电源系统及控制方法。


背景技术：

2.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。发动机通常会工作在2倍转速范围内。
3.永磁同步发电机电源系统包括永磁同步发电机和电源两部分，永磁同步发电机用于将发动机提供的机械能转化为变压变流的交流电能，电源用于将变压变流的交流电能转化为28v稳压直流来给航空无人机上的设备供电。
4.航空航天领域对体积和重量较为敏感，如果能提高永磁同步发电机电源系统的效率，使永磁同步发电机电源系统的体积和重量大幅减小，将使永磁同步发电机电源系统具有显著的应用价值。
5.对于航空无人机用的永磁同步发电机电源系统，现有技术的永磁同步发电机和电源通常具有以下特征：
6.1、永磁同步发电机采用单三相绕组；
7.2、永磁同步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；
8.3、电源包括ac/dc级和dc/dc两级；
9.4、对于电源的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同步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；
10.5、对于电源的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。
11.该方案存在的主要缺点包括以下方面：
12.1、永磁同步发电机采用的单三相绕组会导致电源ac/dc级输出的变压直流纹波偏大；
13.2、电源的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；
14.3、电源的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；
15.4、采用buck电路的电源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；
16.5、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。


技术实现要素：

17.为解决上述技术问题，本发明提供了一种航空低压直流用的小功率永磁同步发电机电源系统及控制方法。
18.本发明通过以下技术方案得以实现。
19.本发明提供的种航空低压直流用的小功率永磁同步发电机电源系统，包括包永磁同步发电机、第一三相mos管全桥，第二三相mos管全桥，控制电路，辅助电源，电流传感器、四管升降压模块以及直流母线；所述永磁同步发电机的三相输出分别连接至第一三相mos管全桥与第二三相mos管全桥，经第一三相mos管全桥与第二三相mos管全桥与直流母线vz的正极和负极连接；所述直流母线的正极和负极经四管升降压模块与输出直流母线vo的正极和负极连接；所述辅助电源的输入正极和负极与直流母线vz的正极和负极连接，辅助电源的输出与控制电路的供电输入端连接；所述电流传感器为六个，所述电流传感器的功率端分别连接永磁同步发电机与第一三相mos管全桥以及第二三相mos管全桥的三相输出端，所述电流传感器的输出端均与控制电路连接；所述控制电路的输出六路驱动信号，分别输入至第一三相mos管全桥以及第二三相mos管全桥。
20.进一步的，所述第一三相mos管全桥与第二三相mos管全桥结构相同，均包括a相桥臂、b相桥臂、c相桥臂和滤波电容c
dc
，所述a相桥臂、b相桥臂以及c相桥臂均由两个mos管组成；所述永磁同步发电机a端与a相桥臂的上mos管q
ua
的源极和下mos管q
da
的漏极连接，a相桥臂上mos管q
ua
的漏极与直流母线vz的正极连接，a相桥臂的下mos管q
da
的源极与直流母线vz的负极连接；所述永磁同步发电机b端与b相桥臂的上mos管q
ub
的源极s和下mos管q
db
的漏极连接，b相桥臂的上mos管q
ub
的漏极与直流母线vz的正极连接，b相桥臂的下mos管q
db
的源极与直流母线vz的负极连接；所述永磁同步发电机c端与c相桥臂的上mos管q
uc
的源极和下mos管q
dc
的漏极连接，c相桥臂的上mos管q
uc
的漏极与直流母线vz的正极连接，c相桥臂的下mos管q
dc
的源极与直流母线vz的负极连接；所述滤波电容c
dc
两端分别与直流母线vz的正极和负极连接。
21.进一步的，所述控制电路产生六路驱动信号的电路结构相同，对于任意一桥臂，驱动信号的产生电路均包括比较器cu和cd；永磁同步发电机的对应相电流输出端与比较器cu的同相输入端和比较器cd的反相输入端连接，比较器cu的反相输入端接入一正电流阀值参考信号i
refh
，比较器cd的同相输入端接入一负电流阀值参考信号i
refl
，比较器cu的输出信号gu与对应桥臂的上mos管的栅极连接，比较器cd的输出信号gd与对应桥臂的下mos管的栅极连接。
22.进一步的，所述四管升降压模块为多个且电路结构相同，均包括第一mos管q
1z
、第二mos管q
2z
、第三mos管q
3z
、第四mos管q
4z
、电感lz和电容cz；所述直流母线vz的正极与第一mos管q
1z
的漏极连接，直流母线vz的负极与第二mos管q
2z
的源极、第三mos管q
3z
的源极和输出直流母线vo的负极连接，第一mos管q
1z
的源极和第二mos管q
2z
的漏极与电感lz的一端连接，电感lz的另一端与第三mos管q
3z
的漏极和第四mos管q
4z
的源极连接，第四mos管q
4z
的漏极与输出直流母线vo的正极连接，电容cz两端分别与直流母线vo的正极和负极连接构成。
23.进一步的，所述永磁同步发电机为双绕组三相发电机，两组三相绕组电角度相差30
°
，两组绕组输出分别接入第一三相mos管全桥与第二三相mos管全桥。
24.进一步的，所述永磁同步发电机在最低发电转速、满载情况下对应的三相绕组线
电压峰值大于20v。
25.进一步的，所述永磁同步发电机在最高发电转速、空载情况下对应的三相绕组线电压峰值小于60v。
26.一种航空低压直流用的小功率永磁同步发电机电源系统的控制方法，包括以下步骤：
27.步骤10、控制电路对第一三相mos管全桥和第二三相mos管全桥的功率进行控制，使第一三相mos管全桥和第二三相mos管全桥工作于同步整流状态，将永磁同步发电机输出三相交流转化为直流电压vz；具体为：
28.步骤11、将正电流阀值参考信号i
refh
设置为正值，数值为永磁同步发电机额定电流的1/5，将负电流阀值参考信号i
refl
设置为负值，数值为永磁同步发电机额定电流的1/5，通过i
refh
和i
refl
来防止永磁同步发电机的电流信号受到干扰时，使比较器cu和cd产生错误逻辑；步骤12、对于任意一桥臂的驱动信号gu，当该桥臂的输入电流大于i
refh
时，比较器cu输出信号gu为高电平，使对应桥臂的上mos管导通，该桥臂工作于同步整流状态，当该桥臂的输入电流小于i
refh
时，比较器cu输出信号gu为低电平，使对应桥臂的上mos管断开，该上mos管作为二极管使用；步骤13、对于任意一桥臂的驱动信号gd，当该桥臂的输入电流小于i
refl
时，比较器cd输出信号gd为高电平，使mos管qd导通，工作于同步整流状态，当该桥臂的输入电流大于i
refh
时，比较器cd输出信号gd为低电平，使对应桥臂的下mos管断开，该下mos管作为二极管使用；
29.步骤20、通过多个四管升降压模块将变压直流vz转化为稳压直流vo，并通过多个四管升降压模块并联来增加输出功率，具体为：
30.步骤21、对于任意一个四管升降压模块，当变压直流电压vz》稳压直流电压vo时，第三mos管q
3z
驱动恒为低，第四mos管q
4z
驱动恒为高，第三mos管q
3z
恒断开，第四mos管q
4z
恒导通，第一mos管q
1z
和第二mos管q
2z
、与电感lz构成降压buck斩波电路，通过调节第一mos管q
1z
的驱动信号占空比dd，实现降压稳压，令第二mos管q
2z
的驱动信号为第一mos管q
1z
的驱动信号的互补信号，占空比为1-dd，使第二mos管q
2z
实现同步整流；步骤22、对于任意一个四管升降压模块，当变压直流电压vz＜稳压直流电压vo时，第一mos管q
1z
驱动恒为高，第二mos管q
2z
驱动恒为低，第一mos管q
1z
恒导通，第二mos管q
2z
恒断开关，第三mos管q
3z
和第四mos管q
4z
、与电感lz构成升压boost斩波电路，通过调节第三mos管q
3z
的驱动信号占空比du，实现升压稳压，令第四mos管q
4z
的驱动信号为第三mos管q
3z
的驱动信号的互补信号，占空比为1-du，使第四mos管q
4z
实现同步整流。
31.本发明的有益效果在于：1、提出的一种航空低压直流用的小功率永磁同步发电机电源系统及设计方法，适合于采用28v的lvdc的航空电源系统，可应用于航空无人机；2、永磁同步发电机采用双三相绕组，相对于采用的单三相绕组的传统方法，电源ac/dc级输出的变压直流纹波显著降低；3、电源的ac/dc级采用mos管构成的同步整流电路，相对于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；4、电源的ac/dc级输出直流电压最高仅为60v，dc/dc级功率管仅需要100v耐压即可，相对于采200v耐压的mos管，处理单位功率的损耗明显降低；5、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；6、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。
附图说明
32.图1为本发明永磁同步发电机电源系统结构框图；
33.图2为本发明三相mos管全桥电路图；
34.图3为本发明桥臂mos管驱动信号产生电路图；
35.图4为本发明四管升降压四管升降压模块电路图。
具体实施方式
36.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。
37.本实施例为3kw永磁同步发电机电源系统，永磁同步发电机电源系统包括永磁同步发电机和电源两部分。永磁同步发电机由无人机发动机提供机械转速输入。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3kw。实施例应用背景为航空无人机，机载设备采用28v的lvdc电源系统。
38.图1所示永磁同步发电机电源系统结构框图，一种航空低压直流用的小功率永磁同步发电机电源系统装置，包括永磁同步发电机，第一三相mos管全桥，第二三相mos管全桥，控制电路，辅助电源，电流传感器s
a1
、sb1、s
c1
、s
a2
、s
b2
、s
c2
，四管升降压模块1、2
……
n；是由永磁同步发电机的三相输出a1、b1和c1经第一三相mos管全桥与直流母线vz的正极和负极连接，永磁同步发电机的三相输出a2、b2和c2经第二三相mos管全桥与直流母线vz的正极和负极连接，直流母线vz的正极和负极经四管升降压模块1、2
……
n与输出直流母线vo的正极和负极连接，辅助电源的输入正极和负极与直流母线vz的正极和负极连接，辅助电源的输出与控制电路的供电输入端连接，电流传感器s
a1
、s
b1
、s
c1
、s
a2
、s
b2
、s
c2
的功率端分别与永磁同步发电机的输出a1、b1、c1、a2、b2、c2连接，电流传感器s
a1
、s
b1
、s
c1
、s
a2
、s
b2
、s
c2
的输出端i
a1
、i
b1
、i
c1
、i
a2
、i
b2
、i
c2
与控制电路连接，控制电路输出的六路驱动信号g1和g2分别与第一三相mos管全桥和第二三相mos管全桥连接构成。
39.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
a1
、s
b1
、s
c1
、s
a2
、s
b2
和s
c2
采用allegro公司的acs781klrtr-150b-t芯片实现，量程范围为-150a～+150a，大小仅为6.4mm
×
6.4mm。采用四管升降压模块的数量为5个。
40.永磁同步发电机采用双三相绕组，相对于采用的单三相绕组的传统方法，电源ac/dc级输出的变压直流纹波显著降低。
41.图2所示三相mos管全桥电路图。所述第一三相mos管全桥与第二三相mos管全桥结构相同，任意一组三相mos管全桥x，x＝1或2，包括a
x
相桥臂、b
x
相桥臂、c
x
相桥臂和滤波电容c
dcx
，是由永磁同步发电机ax端与ax相桥臂上管q
uax
的源极s和下管q
dax
的漏极d连接，ax相桥臂上管的漏极d与直流母线vz的正极连接，ax相桥臂下管的源极s与直流母线vz的负极连接，永磁同步发电机b
x
端与b
x
相桥臂上管q
ubx
的源极s和下管q
dbx
的漏极d连接，b
x
相桥臂上管的漏极d与直流母线vz的正极连接，b
x
相桥臂下管的源极s与直流母线vz的负极连接，永磁同步发电机c
x
端与c
x
相桥臂上管q
ucx
的源极s和下管q
dcx
的漏极d连接，cx相桥臂上管的漏极d与直流母线vz的正极连接，c
x
相桥臂下管的源极s与直流母线vz的负极连接，滤波电容cdcx两端分别与直流母线vz的正极和负极连接构成。
42.对于任意一yx相桥臂，x＝1或2，y＝a、b或c，q
uyx
和q
dyx
均采用两支infineon公司的mos管iaut300n10s5n015并联。单支iaut300n10s5n015的大小仅为10
×
12mm，额定电压和电流分别100v和300a。滤波电容c
dcx
采用20支100v、22μf的多层陶瓷电容并联实现，单支100v、22μf的多层陶瓷电容为2220封装，大小为5.7
×
5.0mm。
43.电源的ac/dc级采用mos管构成的同步整流电路，相对于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。
44.图3所示为yx相桥臂mos管驱动信号产生电路图。所述控制电路产生a1、b1、c1、a2、b2、c2相桥臂驱动信号的电路结构相同，对于任意一yx相桥臂，x＝1或2，y＝a、b或c，驱动信号g
uyx
和g
dyx
的产生电路包括比较器c
uyx
和c
dyx
；是由yx相电流i
yx
与比较器c
uyx
的同相输入端和比较器c
dyx
的反相输入端连接，正电流阀值参考信号i
refh
与比较器c
uyx
的反相输入端连接，负电流阀值参考信号i
refl
与比较器c
dyx
的同相输入端连接，比较器c
uyx
的输出信号g
uyx
与q
uyx
的栅极，比较器c
dyx
的输出信号g
dyx
与q
dyx
的栅极连接构成。
45.比较器c
uyx
和c
dyx
采用adi公司的双轨至轨比较器芯片adcmp392arz实现。
46.图4所示为四管升降压四管升降压模块z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
1z
、q
2z
、q
3z
和q
4z
，电容cz；是由直流母线vz的正极与q
1z
的漏极d连接，直流母线vz的负极与q
2z
的源极s、q
3z
的源极s和输出直流母线vo的负极连接，q
1z
的源极s和q
2z
的漏极d与电感lz的一端连接，电感lz的另一端与q
3z
的漏极d和q
4z
的源极s连接，q
4z
的漏极d与输出直流母线vo的正极连接，电容cz两端分别与直流母线vo的正极和负极连接构成。
47.四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。
48.电源的ac/dc级输出直流电压最高仅为60v，dc/dc级功率管仅需要100v耐压即可，相对于采200v耐压的mos管，处理单位功率的损耗明显降低。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。
49.使用该航空低压直流用的小功率永磁同步发电机电源系统的控制方法，包括以下步骤：
50.步骤10、控制电路对第一三相mos管全桥和第二三相mos管全桥的功率进行控制，使第一三相mos管全桥和第二三相mos管全桥工作于同步整流状态，将永磁同步发电机输出三相交流转化为直流电压vz；具体为：
51.步骤11、将正电流阀值参考信号i
refh
设置为正值，数值为永磁同步发电机额定电流的1/5，将负电流阀值参考信号i
refl
设置为负值，数值为永磁同步发电机额定电流的1/5，通过i
refh
和i
refl
来防止永磁同步发电机的电流信号受到干扰时，使比较器cu和cd产生错误逻辑；步骤12、对于任意一桥臂的驱动信号gu，当该桥臂的输入电流大于i
refh
时，比较器cu输出信号gu为高电平，使对应桥臂的上mos管导通，该桥臂工作于同步整流状态，当该桥臂的输入电流小于i
refh
时，比较器cu输出信号gu为低电平，使对应桥臂的上mos管断开，该上mos管作为二极管使用；步骤13、对于任意一桥臂的驱动信号gd，当该桥臂的输入电流小于i
refl
时，比较器cd输出信号gd为高电平，使mos管qd导通，工作于同步整流状态，当该桥臂的输入
电流大于i
refh
时，比较器cd输出信号gd为低电平，使对应桥臂的下mos管断开，该下mos管作为二极管使用；
52.步骤20、通过多个四管升降压模块将变压直流vz转化为稳压直流vo，并通过多个四管升降压模块并联来增加输出功率，具体为：
53.步骤21、对于任意一个四管升降压模块，当变压直流电压vz》稳压直流电压vo时，第三mos管q
3z
驱动恒为低，第四mos管q
4z
驱动恒为高，第三mos管q
3z
恒断开，第四mos管q
4z
恒导通，第一mos管q
1z
和第二mos管q
2z
、与电感lz构成降压buck斩波电路，通过调节第一mos管q
1z
的驱动信号占空比dd，实现降压稳压，令第二mos管q
2z
的驱动信号为第一mos管q
1z
的驱动信号的互补信号，占空比为1-dd，使第二mos管q
2z
实现同步整流；
54.步骤22、对于任意一个四管升降压模块，当变压直流电压vz＜稳压直流电压vo时，第一mos管q
1z
驱动恒为高，第二mos管q
2z
驱动恒为低，第一mos管q
1z
恒导通，第二mos管q
2z
恒断开关，第三mos管q
3z
和第四mos管q
4z
、与电感lz构成升压boost斩波电路，通过调节第三mos管q
3z
的驱动信号占空比du，实现升压稳压，令第四mos管q
4z
的驱动信号为第三mos管q
3z
的驱动信号的互补信号，占空比为1-du，使第四mos管q
4z
实现同步整流。
55.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。