基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置及方法

摘要

本发明属于动力控制技术领域，提供了一种基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置及方法。其中，基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置包括电流控制单元和输出控制单元；电流控制单元，用于根据外部输出功率要求以及电磁力与电流大小的关系，得到发电机分段控制情况、每段电流大小及作用时间，再根据发电机电压与电流关系，计算出分段控制区间内所需电压；输出控制单元，其一端连接发电机的电源，基于Boost升压原理，输出各个分段控制区间内所需电压，并施加于电机。其利用电流率得到所需电压，以达到快速调节发电机功率的目的。

说明书

技术领域

本发明属于动力控制技术领域，尤其涉及一种基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

自由活塞直线发电机是自由活塞式内燃机和直线发电机耦合形成的一种新型能源转换装置，其热效率比传统发动机高，对节能减排、缓解环境压力可以起到显著作用。自由活塞直线发电机主要包括发动机和发电机两个主要部件，在启动时，发电机作为电动机拖动活塞运动到上止点，完成第一个循环过程；在正常运行时，直线发电机在内燃机活塞推动下快速运动，将燃料的化学能转变为电能供外界使用。

自由活塞直线发电机中的发电机在启动过程中提供动力，作为电动机拖动活塞运动，当活塞速度到达目标值并且活塞止点处于设定位置时内燃机点火启动，此后直线发电机在内燃机活塞推动下快速运动转变为发电机模式。因此，当内燃机机稳定运行时，输出动力基本保持不变，但是作为增程器使用时，对外输出功率又是实时可变的。但是，发明人发现，由于电机自身存在电机常数，无论是励磁电流或者拖动电流都难以快速改变，使得在启动和拖动过程中容易出现启动和拖动困难的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置及方法，其利用电流得到所需电压，以达到快速调节发电机功率的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置。

在一个或多个实施例中，一种基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置，包括电流控制单元和输出控制单元；

电流控制单元，用于根据外部输出功率要求以及电磁力与电流大小的关系，得到发电机分段控制情况、每段电流大小及作用时间，再根据发电机电压与电流关系，计算出分段控制区间内所需电压；

输出控制单元，其一端连接发电机的电源，基于Boost升压原理，输出各个分段控制区间内所需电压，并施加于电机。

本发明的第二个方面提供一种基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置的调节方法。

在一个或多个实施例中，一种基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置的调节方法，包括：

根据外部输出功率要求以及电磁力与电流大小的关系，得到发电机分段控制情况、每段电流大小及作用时间，再根据发电机电压与电流关系，计算出分段控制区间内所需电压；

基于Boost升压原理，输出各个分段控制区间内所需电压，并施加于电机。

本发明的有益效果是：

本发明根据外部输出功率要求以及电磁力与电流大小的关系，得到发电机分段控制情况、每段电流大小及作用时间，再根据发电机电压与电流关系，计算出分段控制区间内所需电压，以外部控制信号为基础，计算目标电流，基于电流变化规律，得到所需电压；基于Boost升压原理，输出各个分段控制区间内所需电压，并施加于电机，其中，Boost升压输入电流是连续的，减轻了对电源的电磁干扰，这样基于分段控制电流大小，可以在保证其他条件不变的情况下，实现相同发电量的工况下，提高发动机输出功率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的加速度分段示意图；

图2是本发明实施例的Boost电路图；

图3是本发明实施例的基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

参照图3，本实施例提供了一种基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置，其包括电流控制单元和输出控制单元；

(1)电流控制单元，用于根据外部输出功率要求以及电磁力与电流大小的关系，得到发电机分段控制情况、每段电流大小及作用时间，再根据发电机电压与电流关系，计算出分段控制区间内所需电压。

在具体实施中，根据能量守恒，电机发电量等于驱动力与动子移动距离之积。控制动子驱动力就可控制发电机发电量。保持总发电量不变，调整瞬时发电量，调整动子运动速度，即可实现功率调整。

具体地，在所述电流控制单元中，根据外部输出功率的要求，采用试算的方法确定分段情况。根据每段的驱动力、作用距离及电磁力为磁场强度、电流大小与线圈长度之积，得到每个分段控制区间内的电流大小，进而基于加速度得到每段力的作用时间。

假设：发动机驱动力5000；单阶段时电机驱动力3000；动子质量10；总移动距离1200。如果把加速过程进行分段处理(分成2/3/4段)，如图1所示，根据公式

由此可见，控制不同阶段的电流规律，可以控制发电功率。

其中，i

由于电机常数一定，电机电阻一定，为了实现电流的快速调节，调节电压是一种快速调节电流的方式，而励磁电流或者拖动电流的改变就能够改变发电机的外部阻力。

在本实施例中，在所述电流控制单元中，采用DCM算法来优化所需电压。

具体地，采用DCM算法来优化所需电压的过程为：

选取优化性能指标，得到优化性能指标取最小值对应的控制增量序列，将所述控制增量序列中第一个分量作为当前时刻的电压增量；

计算当前电压增量作用下实际响应电流与预测模型形成的预测误差，计算经误差校正后的预测输出，在下一时刻进行新的预测优化。

其中，优化性能指标为：

式中，

Q、R分别为误差权矩阵和控制权矩阵。

其中，在优化性能指标取最小值时的控制增量序列为：

式中，A为动态矩阵，

本实施例的预测误差为：

式中，y(k+1)为在k+1时刻的实际响应电流，

以上述预测误差对预测值进行加权修正，得到校正预测值：

式中，

将

式中，S为以为矩阵。

(2)输出控制单元，其一端连接发电机的电源，基于Boost升压原理，输出各个分段控制区间内所需电压，并施加于电机。

如图2所示，本实施例所提出的基于Boost原理的输出控制单元的工作过程可分为充电和放电两部分充电过程：

在充电时候，通过PWM控制器实现开关管Q导通，相当于把MOS管短接，此时输入电压流过电容C

Boost升压电路输入电流是连续的，减轻了对电源的电磁干扰，同时还可以采用晶体管发射极接地，驱动电流简单。

本实施例以外部控制信号为基础，计算目标电流，基于电流变化规律，得到所需电压；基于Boost升压原理，输出各个分段控制区间内所需电压，并施加于电机，其中，Boost升压输入电流是连续的，减轻了对电源的电磁干扰，这样基于分段控制电流大小，可以在保证其他条件不变的情况下，实现相同发电量的工况下，提高发动机输出功率。

实施例二

本实施例的基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节方法，其包括：

步骤1：根据外部输出功率要求以及电磁力与电流大小的关系，得到发电机分段控制情况、每段电流大小及作用时间，再根据发电机电压与电流关系，计算出分段控制区间内所需电压。

在具体实施中，根据外部输出功率的要求，采用试算的方法确定分段情况，得到每段的驱动力及作用距离；根据电磁力为磁场强度、电流大小与线圈长度之积，得到每个分段控制区间内的电流大小，进而基于加速度得到每段力的作用时间。

其中，发电机电压U

采用DCM算法来优化所需电压，其过程为：

选取优化性能指标，得到优化性能指标取最小值对应的控制增量序列，将所述控制增量序列中第一个分量作为当前时刻的电压增量；

计算当前电压增量作用下实际响应电流与预测模型形成的预测误差，计算经误差校正后的预测输出，在下一时刻进行新的预测优化。

其中，优化性能指标为：

式中，

Q、R分别为误差权矩阵和控制权矩阵。

其中，在优化性能指标取最小值时的控制增量序列为：

式中，A为动态矩阵，

本实施例的预测误差为：

式中，y(k+1)为在k+1时刻的实际响应电流，

以上述预测误差对预测值进行加权修正，得到校正预测值：

式中，

将

式中，S为以为矩阵。

步骤2：基于Boost升压原理，输出各个分段控制区间内所需电压，并施加于电机。

如图2所示，本实施例所提出的基于Boost原理的输出控制单元的工作过程可分为充电和放电两部分充电过程：

在充电时候，通过PWM控制器实现开关管Q导通，相当于把MOS管短接，此时输入电压流过电容C

Boost升压电路输入电流是连续的，减轻了对电源的电磁干扰，同时还可以采用晶体管发射极接地，驱动电流简单。

本实施例以外部控制信号为基础，计算目标电流，基于电流变化规律，得到所需电压；基于Boost升压原理，输出各个分段控制区间内所需电压，并施加于电机，其中，Boost升压输入电流是连续的，减轻了对电源的电磁干扰，这样基于分段控制电流大小，可以在保证其他条件不变的情况下，实现相同发电量的工况下，提高发动机输出功率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。