一种基于高压直流驱动的无人机动力系统及方法与流程

本发明涉及无人机动力供电，具体为一种基于高压直流驱动的无人机动力系统及方法。

背景技术：

1、随着无人机技术的快速发展，高压直流驱动方案因其能量传输效率高、功率密度大等优势，逐渐成为大载荷、长航时无人机动力系统的优选方案。然而，高压直流驱动在工程实践中面临一系列亟待解决的技术问题。

2、第一，为满足电机端高电压尖峰区域的绝缘耐受要求，整条线束采用统一的厚绝缘设计。这种方案导致线束整体重量增加、柔韧性下降，不利于无人机的轻量化设计。

3、第二，高压直流驱动场景下，pwm（脉冲宽度调制）开关频率与机臂机械振动频率耦合时，会诱发振动同步型局部放电现象。现有技术中，缺乏对振动与局部放电耦合关系的有效监测手段，更缺少基于该耦合关系动态调整pwm开关频率的控制策略。

4、因此，本发明提出一种基于高压直流驱动的无人机动力系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于高压直流驱动的无人机动力系统及方法，解决以上技术问题：

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种基于高压直流驱动的无人机动力系统，包括电子调速器、高压动力线束组件和高压无刷电机，所述电子调速器的输出端通过所述高压动力线束组件与所述高压无刷电机电性连接，所述高压动力线束组件采用分级绝缘结构，沿其长度方向划分为至少两个绝缘区段，靠近所述高压无刷电机一侧的绝缘层厚度大于远离所述高压无刷电机一侧的绝缘层厚度，相邻绝缘区段之间设有厚度连续过渡段；

4、所述系统还包括智能监测控制单元，包括振动传感器、高频电流互感器、振动-局部放电耦合度计算模块和pwm频率调整模块；所述振动传感器设置于机臂，用于采集机臂振动信号；所述高频电流互感器耦合于所述高压动力线束组件上，用于采集局部放电脉冲信号；所述振动-局部放电耦合度计算模块分别与所述振动传感器和所述高频电流互感器电性连接，用于根据所述振动信号和所述局部放电脉冲信号计算时域相关性系数；所述pwm频率调整模块分别与所述振动-局部放电耦合度计算模块和所述电子调速器电性连接，用于根据所述时域相关性系数是否超过预定阈值，选择性地执行pwm开关频率扫频避开振动谐振频率或切换至随机调制模式，以调整所述电子调速器的pwm开关频率。

5、作为本发明技术方案的进一步描述，所述分级绝缘的区段划分及厚度设定满足以下条件：沿电流传输方向，以所述高压动力线束组件的长度方向为基准，各区段的绝缘层厚度自所述电子调速器端向所述高压无刷电机端逐级递增；相邻区段的绝缘层厚度差值不小于预定厚度差阈值；所述连续过渡段通过共挤工艺中挤出机螺杆转速线性调节实现厚度渐变；各区段的长度比例由传输线理论计算确定的电压反射系数分布曲线匹配，绝缘层厚度变化曲线与电压尖峰包络线呈正相关。

6、作为本发明技术方案的进一步描述，所述振动传感器为mems加速度计，设置于机臂根部、中段和末端多个测点；

7、所述高频电流互感器带宽覆盖局部放电脉冲信号频段，耦合于所述高压动力线束组件的接地线上。

8、作为本发明技术方案的进一步描述，所述智能监测控制单元还包括分级保护执行模块，所述分级保护执行模块分别与所述振动-局部放电耦合度计算模块和所述电子调速器电性连接，用于根据局部放电量级和所述时域相关性系数执行分级保护策略，包括一级预警降转速、二级预警降频限功率和三级保护切断故障机臂。

9、一种基于高压直流驱动的无人机动力系统控制方法，包括：

10、步骤s1、获取机臂长度和母线电压等级，计算电压尖峰幅值沿高压动力线束长度方向的分布曲线：

11、；

12、式中，为距线束输入端的距离，为母线电压基值，为入射波幅值，为线束衰减常数，为相位常数，为电机端电压反射系数，为虚数单位；

13、步骤s2、根据所述分布曲线的变化趋势划分绝缘区段：将电压尖峰幅值相对高的区域界定为厚绝缘区段，将电压尖峰幅值相对低的区域界定为薄绝缘区段，厚绝缘区段与薄绝缘区段之间为中间绝缘区段，所述厚绝缘区段靠近高压无刷电机端布置，所述薄绝缘区段靠近电子调速器端布置；

14、步骤s3、为各区段设定绝缘层厚度：厚绝缘区段采用使该区段局部放电起始电压裕度满足预定要求的第一厚度，中间绝缘区段采用使该区段局部放电起始电压裕度满足预定要求的第二厚度，薄绝缘区段采用使该区段局部放电起始电压裕度满足预定要求的第三厚度，所述第一厚度大于第二厚度大于第三厚度；

15、步骤s4、在相邻绝缘区段之间设置连续过渡段，通过共挤工艺中挤出机螺杆转速线性调节使绝缘层厚度自厚区段厚度向薄区段厚度平滑递减；

16、步骤s5、将制得的分级绝缘线束作为高压动力线束组件敷设于无人机机臂内部；

17、步骤s6、电机运行时，通过设置于机臂表面的振动传感器采集振动信号，通过耦合于高压动力线束组件上的高频电流互感器采集局部放电脉冲信号；

18、步骤s7、时间同步关联所述振动信号与所述局部放电脉冲信号，计算振动-局部放电时域相关性系数：

19、；

20、式中，为振动幅值包络信号，为局部放电脉冲密度，为与的协方差，和分别为和的标准差；

21、步骤s8：超过第一预定阈值时，判定振动与局部放电存在强耦合；当超过第二预定阈值且判定为振动同步型局部放电时，在额定pwm频率的预定范围内扫描，避开与振动主频谐波重合的频率点，或启动pwm频率随机调制模式；

22、步骤s9：根据局部放电量级和执行分级保护策略：当局部放电量级达到第一量级阈值时执行一级预警降转速；当超过第二预定阈值或局部放电量级达到第二量级阈值时执行二级预警降频限功率；当局部放电量级达到第三量级阈值时执行三级保护切断故障机臂。

23、作为本发明技术方案的进一步描述，所述步骤s1中，计算电压尖峰幅值分布曲线时，所述衰减常数和所述相位常数根据高压动力线束的单位长度电阻、电感、电容和电导参数确定；所述反射系数根据高压无刷电机端的输入阻抗与高压动力线束的特征阻抗确定；根据所述分布曲线确定各区段边界时，以电压尖峰幅值首次达到预定增幅倍率的位置作为厚绝缘区段的起始边界。

24、作为本发明技术方案的进一步描述，所述步骤s6中，振动传感器以预定采样频率连续采集机臂三轴振动加速度信号，经模数转换后通过傅里叶变换提取振动主频及各阶谐波能量；所述高频电流互感器以预定采样率采集局部放电脉冲信号，经放大和滤波后提取每个工频周期内的脉冲幅值、相位和重复率，构建相位解析局部放电图谱；

25、所述步骤s8中，当判定为振动同步型局部放电时，执行以下pwm频率调整的闭环验证：在将pwm开关频率调整至新频率后持续运行至少预定工频周期数，对比调整前后的局部放电量级和所述相关性系数的变化，若局部放电量级降低超过预定百分比且降至第三预定阈值以下，则锁定新频率；否则恢复原频率并启动pwm频率随机调制模式。

26、作为本发明技术方案的进一步描述，所述步骤s9中：

27、一级预警：当局部放电量级达到第一量级阈值时，触发报警信号并降低高压无刷电机转速至额定转速的预定第一百分比，同时触发pwm频率调整模块在额定pwm频率的预定范围内进行频率扫描，寻找远离振动主频谐波的频率点；

28、二级预警：当所述相关性系数超过第二预定阈值或局部放电量级达到第二量级阈值时，将pwm开关频率降低至预定降频目标值，将高压无刷电机转速降至额定转速的预定第二百分比，并将该机臂对应的动力系统功率限幅至预定功率百分比；

29、三级保护：当局部放电量级达到第三量级阈值时，切断该机臂所对应的电子调速器的高压输入，通过固态功率控制器隔离故障机臂，利用其余正常机臂的动力冗余执行紧急降落程序。

30、本发明的有益效果：1、本发明通过沿高压动力线束长度方向设置分级绝缘结构，根据电压尖峰幅值沿线分布规律，在靠近电机端的高压区域设置厚绝缘层以满足局部放电起始电压裕度要求，在靠近调速器端的低压区域设置薄绝缘层，并在相邻区段之间设置厚度连续过渡段以避免电场畸变。该分级绝缘结构实现了绝缘材料在关键区域的精准分配，在保证电机端高压绝缘耐受能力的前提下，显著减少了非关键区域的绝缘材料用量，有效降低了高压动力线束的整体重量，同时提升了线束的柔韧性，便于在无人机机臂内部敷设，有利于无人机的轻量化设计和整机功率密度的提升。

31、2、本发明通过在机臂设置振动传感器采集机臂振动信号，通过耦合于高压动力线束组件上的高频电流互感器采集局部放电脉冲信号，并由振动-局部放电耦合度计算模块计算两路信号的时域相关性系数，实现了对振动与局部放电耦合状态的实时在线感知。当相关性系数超过预定阈值时，pwm频率调整模块选择性地执行扫频避开振动谐振频率或切换至随机调制模式，从源头切断振动对局部放电的机械激励路径。该动态调整机制能够适应电机转速变化导致的振动频率漂移，有效抑制振动同步型局部放电的发生和发展，延缓绝缘老化进程，提升高压动力系统的长期运行可靠性。