用于霍尔电推进器的全数字阳极电源系统及控制方法与流程

本发明涉及霍尔电推进器领域，具体是一种用于霍尔电推进器的全数字阳极电源系统及控制方法。

背景技术：

1、为保证高可靠性与大功率需求，现阶段霍尔电推进器的阳极电源架构主要采用如图1所示的方案，包括输入电压/电流采样电路、功率通路通断及浪涌抑制电路、输入emi滤波电路、功率变换电路、输出滤波和输出电压/电流采样电路、输出隔离电路。其主要运行方式为：通过输入电压/电流采样电路采集输入电流并经过功率通路通断及浪涌抑制电路进行输入端的检测与保护；通过输入emi滤波电路于功率通路接通时对输入电流进行差模及共模滤波处理并向功率变换电路输送电流，通过功率变换电路根据外部霍尔电推进器所需功率对输入电流进行转换并经由输出滤波及输出电压/电流采样电路滤波处理后向输出隔离电路输出。

2、该方案还存在以下不足：由于采用两级的结构形式，分别为前级非隔离和后级隔离式结构，实现过程会存在效率损失严重的问题，前后级都需要驱动电路，增加了系统的复杂性。同时电源的控制采用模拟控制方式，无法实现电源灵活的控制与故障监控调整，其中输入端和输出端都采用硬件实现多重的电压电流检测与保护，会增加硬件逻辑单元的处理难度，不利于可靠性的提高。

3、因此，本领域技术人员提供了一种用于霍尔电推进器的全数字阳极电源系统及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于霍尔电推进器的全数字阳极电源系统及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于霍尔电推进器的全数字阳极电源系统，包括：用于进行功率传输与电压变换的变换器单元、用于采样变换器单元的输入电流并产生第一控制信号的电流检测单元、用于采样变换器单元的输出电压和输出电流的采样调理单元、mcu控制单元和通断控制单元；

4、mcu控制单元用于基于变换器单元的输入电流、输出电压和输出电流进行阳极输出的实时全数字化控制，并能根据不同工况下自适应闭环参数调整，实现稳定的数字化控制，同时基于监测的状态值产生第二控制信号以控制通断控制单元的开启和关闭；

5、通断控制单元用于基于第一控制信号控制电源和/或第二控制信号控制电源与变换器单元的输入端之间的通断。

6、其中，变换器单元包括第一变换器和第二变换器，第一变换器的第一输入端、第二变换器的第一输入端与电流检测单元相连，第一变换器的第二输入端、第二变换器的第二输入端与电源阴极相连，第一变换器的第二输出端与第二变换器的第一输出端相连，第一变换器的第二输出端与第二变换器的第一输出端用于产生输出电压。

7、变换器单元中的第一变换器和第二变换器的结构与连接方式相同，包括顺序连接的开关单元、谐振单元、变压器、整流单元和滤波单元，开关单元用于基于驱动信号将直流的输入电流转换成方波交流电，谐振单元用于基于方波交流电产生正弦波交流电，变压器用于对正弦波交流电进行升压或降压，整流单元用于基于正弦波交流电转产生正弦脉动直流电，滤波单元用于基于正弦脉动直流电产生直流电。

8、其中，开关单元包括第一开关管m1和第二开关管m2，开关单元为半桥电路，开关单元的第一输入端用于形成第一变换器的第一输入端，开关单元的第二输入端用于形成第一变换器的第二输入端，开关单元的第一输出端与谐振单元的第一端相连，开关单元的第二输出端与谐振单元的第二端相连。

9、第一开关管m1和第二开关管m2组成半桥电路，第一开关管m1的源极、第二开关管m2的漏极均与谐振单元的第一端相连，第一开关管m1的漏极与电流检测单元相连，第一开关管m1的栅极用于接收第一驱动信号pwm_h1，第二开关管m2的源极与电源阴极和谐振单元的第二端相连，第二开关管m2的栅极用于接收第二驱动信号pwm_l1。

10、作为本发明再进一步的方案：第一变换器的开关单元与第二变换器的开关单元采取互补控制方式，即第一变换器的开关单元接收的第一驱动信号pwm_h1与第二变换器的开关单元接收的第一驱动信号pwm_h2是互补的，第一变换器的开关单元接收的第二驱动信号pwm_l1与第二变换器的开关单元接收的第二驱动信号pwm_l2也是互补的，这使得两个变换器的每个相位输入端的电流都是错位的，提高了输入电流的频率降低电流峰值，降低输入电压纹波，这样可以减少输入电容的用量，提高功率密度。

11、谐振单元包括第一电感l1和第一电容c1，第一电感l1的第一端与第一开关管m1的源极相连，第一电感l1的第二端与变压器113的原边的第一端相连，第一电容c1的第一端与变压器113的原边的第二端相连，第一电容c1的第二端与第二开关管m2的源极相连。

12、作为本发明再进一步的方案：变压器为中心抽头式变压器，整流单元为中心抽头全波整流电路，整流单元的第一输入端与变压器的副边的第一端相连，整流单元的第二输入端与变压器的副边的第二端相连，整流单元的输出端与滤波单元的第一端相连，变压器的副边的中心端与滤波单元的第二端相连。

13、其中，整流单元包括第一二极管d1和第二二极管d2，第一二极管d1的第一端与变压器的副边的第一端相连，第二二极管d2的第一端与变压器的副边的第二端相连，第一二极管d1的第二端、第二二极管d2的第二端与滤波单元的第一端相连。

14、作为本发明再进一步的方案：在其他实施例中，整流单元可以为桥式整流电路，则整流单元的第一输入端与变压器的副边的第一端相连，整流单元的第二输入端与变压器的副边的第二端相连，整流单元的第一输出端与滤波单元的第一端相连，整流单元的第二输出端与滤波单元的第二端相连。

15、作为本发明再进一步的方案：滤波单元包括一个或多个并联的第二电容c2，第二电容c2的第一端用于形成第一变换器或第二变换器的第一输出端，第二电容c2的第二端用于形成第一变换器11或第二变换器的第二输出端。

16、作为本发明再进一步的方案：变换器单元正常运行下两个变换器同时运行，各自承担一半的输出负载。由于采用串联型输出形式，降低了对单路变压器匝比的要求，并通过完全一致性设计，保证两电源功耗一致均衡散热性能。

17、作为本发明再进一步的方案：第一变换器和第二变换器所接收的驱动信号采取互补控制方式，能够实现输入纹波电流互补，进一步降低输入供电的纹波。故障状态下，当其中一路发生短路故障后，该电路通过自身调节，能自适应切断故障路，阳极电源自动切换至另一路电源运行，推进器进行降额运行，不会对前级供电造成短路拉电流风险。

18、作为本发明再进一步的方案：阳极电源系统还包括第一emi滤波单元和第二emi滤波单元、隔离传输单元和驱动电路。

19、作为本发明再进一步的方案：第一emi滤波单元的输入端和第二emi滤波单元的输入端与电源阳极相连，第一emi滤波单元的输出端和第二emi滤波单元的输出端分别与第一变换器的第一输入端和第二变换器的第一输入端相连以分别对第一变换器和第二变换器的输入电流进行滤波。两个变换器通过各自的输入端取电，并分别有对应的emi滤波单元，能够降低对单个emi滤波单元结构的设计难度，同时保证后级结构的对称性。

20、作为本发明再进一步的方案：隔离传输单元用于隔离采样调理单元和mcu控制单元，隔离传输单元可以为容隔型或其他类型的隔离芯片。

21、作为本发明再进一步的方案：驱动电路用于基于第三控制信号产生用于驱动变换器单元的驱动信号。

22、用于霍尔电推进器的全数字阳极电源系统的控制方法，包括如下步骤：

23、s11、通过电流检测单元采样变换器单元的输入电流并产生第一控制信号；

24、s12、通过采样调理单元采样变换器单元的输出电压和输出电流；

25、s13、通过mcu控制单元基于变换器单元的输入电流、输出电压和输出电流，进行阳极输出的实时全数字化控制，并能根据不同工况下自适应闭环参数调整，实现稳定的数字化控制，同时基于监测的状态值产生第二控制信号以控制通断控制单元的开启和关闭；

26、s14、通过通断控制单元基于第一控制信号和第二控制信号控制电源与变换器单元的输入端之间的通断。

27、作为本发明再进一步的方案：还包括通过mcu控制单元基于变换器单元的输入电流、输出电压和输出电流产生第三控制信号，通过驱动电路基于第三控制信号产生用于驱动变换器单元的驱动信号，并通过实时参数监控实现阳极电源稳定运行。

28、作为本发明再进一步的方案：通过mcu控制单元基于变换器单元的输入电流、输出电压和输出电流产生第三控制信号，通过驱动电路基于第三控制信号产生用于驱动变换器单元的驱动信号。通过第一emi滤波单元和第二emi滤波单元分别对第一变换器和第二变换器的输入电流进行滤波。通过隔离传输单元隔离采样调理单元和mcu控制单元。

29、其中，通过电流检测单元实时采样变换器单元输入电流，当发生严重的输入过流故障时过流保护电路被触发产生第一控制信号，控制通断控制单元切断电源阴极回路，从而关闭阳极电源系统。由于通断控制单元也接受mcu端的指令控制，通过独立设置软件过流保护阈值以及限功率策略，在正常上电流程时，可以实现软硬件结合多重保护防止输入供电系统发生短路拖垮。

30、通过mcu控制单元根据系统设计需求以及实时监控变换器单元输出的电压/电流状态，可以实现数字闭环式控制，有效提高系统的响应性，同时对于输出端过欠压以及过流故障能够快速响应处理。

31、作为本发明再进一步的方案：通过第一emi滤波单元和第二emi滤波单元分别对第一变换器和第二变换器的输入电流进行滤波。

32、作为本发明再进一步的方案：通过隔离传输单元隔离采样调理单元和mcu控制单元。

33、本发明通过优化拓扑的结构形式，解决了传统方案中级联系统效率偏低的问题，同时实现了类似主备份电源的高安全性。通过采用数字化控制方式，对于多信号处理与诊断更加灵活，各项保护逻辑设计也更加简单可靠，并能够通过数字化控制灵活的对不同工况下的参数进行自适应最优控制，提高系统整体的鲁棒性。通断控制单元能够兼容软硬件的过流触发机制，进一步提高了系统的整体安全性。