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        無(wú)人機(jī)之混合電能控制器設(shè)計(jì)與電力整合

        2023-07-09 06:32:22王紹武沈彥霖
        電子制作 2023年10期
        關(guān)鍵詞:引擎

        王紹武,沈彥霖

        (1.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南平頂山,467001;2.河南神馬尼龍化工有限公司,河南平頂山,467013)

        0 前言

        隨著全球節(jié)能減碳的倡導(dǎo),推動(dòng)電動(dòng)化以提升交通運(yùn)輸能源使用效率與降低排放已成國(guó)際重要趨勢(shì)。目前復(fù)合電能系統(tǒng)之類似構(gòu)架已經(jīng)用于電動(dòng)車輛電力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,主要是以延長(zhǎng)續(xù)航力、節(jié)約能源、提升效率與降低成本為目標(biāo),進(jìn)而達(dá)到較高整體性能與整體系統(tǒng)動(dòng)力。為了獲得最佳能源管理策略,本文采用工程直覺(jué)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)的規(guī)則庫(kù)控制方式,結(jié)合模糊邏輯控制復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng),而無(wú)人機(jī)控制單元依照馬達(dá)動(dòng)力需求,控制引擎油門以及相關(guān)電子系統(tǒng),達(dá)能源使用最佳化的目標(biāo)。

        1 復(fù)合式電能無(wú)人機(jī)軟件設(shè)計(jì)

        本文以DSPTMS320F28335 處理器作為無(wú)人機(jī)控制單元。而為了方便且快速地開發(fā)此DSP 程序,本文以Matlab/Simulink 軟體進(jìn)行主要程序撰寫,并搭配Stateffow 開發(fā)各種條件判斷模式。為了確保無(wú)人機(jī)之運(yùn)轉(zhuǎn)安全,在程序模擬方面共進(jìn)行三次于不同環(huán)境下的模擬測(cè)試,第一次為當(dāng)程序撰寫完畢后,利用Matlab/Simulink 內(nèi)置模擬系統(tǒng)進(jìn)行模擬,確認(rèn)基本參數(shù)是否有設(shè)定正確。第二次為利用Terasoft 公司所研發(fā)之快速雛型控制器Microbox 進(jìn)行硬件回路(Hardware-In-theLoop,HIL)模擬測(cè)試,主要為測(cè)試當(dāng)程序燒入至控制硬件后,是否會(huì)有錯(cuò)誤發(fā)生。第三次將撰寫好之控制策略燒入至微處理芯片中進(jìn)行測(cè)試及控制,另在硬件前端建置多個(gè)傳感器,借此透過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)而主動(dòng)計(jì)算復(fù)合式電力分配比例。在確認(rèn)主動(dòng)式能源管理有效后,再進(jìn)行無(wú)人機(jī)控制單元設(shè)計(jì),提高實(shí)際應(yīng)用之可行性。

        1.1 規(guī)則庫(kù)控制策略

        依據(jù)無(wú)人機(jī)現(xiàn)有使用方式,有引擎發(fā)電機(jī)待機(jī)、無(wú)人機(jī)定點(diǎn)懸置與高負(fù)載等主要操作模式。定義Pd為無(wú)人機(jī)需求功率;Pg為無(wú)人機(jī)之引擎發(fā)電機(jī)輸出功率。以最佳引擎發(fā)電機(jī)功率輸出定值,如圖1 虛線所示,當(dāng)Pd> Pg,代表為復(fù)合電能輸出模式,引擎發(fā)電機(jī)與鋰電池系統(tǒng)以并聯(lián)方式提供多旋翼馬達(dá)電能需求;當(dāng)Pd< Pg為充電模式,引擎發(fā)電機(jī)主要供給鋰電池充電用,部分電能提供多旋翼馬達(dá)使用。

        圖1 無(wú)人機(jī)控制模塊功率控制方案

        1.2 Matlab/Simulink 模擬結(jié)果

        本項(xiàng)目采用Matlab/Simulink 模擬環(huán)境進(jìn)行測(cè)試,建構(gòu)v 型驗(yàn)證中的Model-In-the-Loop及HIL 驗(yàn)證,有助于未來(lái)實(shí)際對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行調(diào)校,提升無(wú)人機(jī)性能與可靠度。本模擬利用先行實(shí)測(cè)之電池能耗數(shù)據(jù)建立無(wú)人機(jī)控制單元模塊如圖2 所示,可計(jì)算鋰電池剩余電量。

        圖2 無(wú)人機(jī)控制單元模塊

        了解無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行所需之能耗有利本文之模式建立,經(jīng)實(shí)測(cè)無(wú)人機(jī)飛行情況得知:當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行拉升及回轉(zhuǎn)時(shí)需較大之瞬間電流,而正常航行之工作電流約為100 如圖3所示??刂撇呗匀缟瞎?jié)所述,利用電流及鋰電池殘電量大小建立規(guī)則庫(kù)。規(guī)則庫(kù)中分三大模式:高負(fù)載、中負(fù)載及低負(fù)載,分別以無(wú)人機(jī)引擎于不同負(fù)載區(qū)間實(shí)測(cè)之制動(dòng)燃油消耗量(Brake SpeciffcFuel Consumption,BSFC)定義其油門開度(α),其中油門開度區(qū)間為0 至1 之連續(xù)數(shù)值。本階段性能測(cè)試先將高負(fù)載之油門開度定義為1;中負(fù)載之油門開度定義為0.5;低負(fù)載之油門開度定義為0.1 進(jìn)行模擬,測(cè)試總秒數(shù)為500 秒,根據(jù)電池放電電流推算之鋰電池殘電量。模式切換分五種模式:模式一為系統(tǒng)待命、引擎怠速,可隨時(shí)起動(dòng)之狀態(tài);模式二為低負(fù)載;模式三為中負(fù)載;模式四為高負(fù)載;模式五為安全模式,當(dāng)系統(tǒng)無(wú)法偵測(cè)電流或SOC 低于5%時(shí)觸發(fā)之模式。本測(cè)試之模擬模式結(jié)果如圖4 所示,而其對(duì)應(yīng)之油門開度數(shù)值如圖5 所示,其中為避免模式切換過(guò)于頻繁影響控制油門之伺服馬達(dá)作動(dòng)造成相關(guān)部件損壞,模式及油門開度之輸出結(jié)果皆經(jīng)過(guò)濾波處理。

        圖3 無(wú)人機(jī)實(shí)測(cè)電流

        圖4 無(wú)人機(jī)模塊模式切換

        圖5 無(wú)人機(jī)油門切換

        1.3 HIL 模擬過(guò)程與結(jié)果

        本項(xiàng)目利用兩部快速雛型控制器Microbox 實(shí)現(xiàn)HIL 測(cè)試模擬,透過(guò)各別定義快速雛型控制器為能量管理控制器及整機(jī)系統(tǒng)控制器采用模擬訊號(hào)雙向溝通的即時(shí)模擬,可于實(shí)機(jī)測(cè)試前先行檢測(cè)問(wèn)題并優(yōu)先解決。采用兩快速雛型控制器進(jìn)行HIL 結(jié)果顯示,模擬與實(shí)時(shí)模擬仍有0.001%誤差,未來(lái)可利用降低白噪音(White Noise)方式改進(jìn)。復(fù)合式動(dòng)力無(wú)人機(jī)之電壓與電流感測(cè)電路開發(fā)為使無(wú)人機(jī)控制單元具備過(guò)壓與過(guò)流保護(hù)能力,避免DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊于無(wú)人機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,因電流分配不均造成單部或多部轉(zhuǎn)換模塊燒毀之疑慮,本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)電壓與電流感測(cè)電路用以即時(shí)將各模塊之輸出電流、直流鏈電壓與電池電壓電流信號(hào)回傳至無(wú)人機(jī)控制單元中,使無(wú)人機(jī)控制單元監(jiān)控各狀態(tài)信息。除可估算電池之SOC 外,亦可避免DC/DC 電路模塊因輸出電壓與電流之異常,造成后端無(wú)人機(jī)馬達(dá)燒毀或無(wú)法預(yù)期之動(dòng)作,提高整機(jī)安全性。

        2 電壓、電流感測(cè)以及復(fù)合式動(dòng)力電能管理硬件設(shè)計(jì)

        2.1 電壓感測(cè)電路

        本文以AD210AN 隔離放大器設(shè)計(jì)電壓回 路如圖6 所示,此電路所使用之AD210AN 隔離放大器提供1 至100倍的電壓增益,具有精度高、成本低與體積小之優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)部采用變壓器耦合放大器構(gòu)架,可對(duì)輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行隔離,避免測(cè)量之電壓信號(hào)受到各種電磁、噪聲與誤差之影響。在此電路中,輸入信號(hào)需先經(jīng)過(guò)電阻適當(dāng)分壓,其分壓公式為:

        圖6 電壓回授電 路圖

        以滿足TMS320F28335模擬輸入電壓范圍0~3.3 V 之要求,其中VAD210為AD210AN隔離放大器之輸入信號(hào),Vbus為DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊輸出電 壓,VR1、R1 與R2 為 限制電壓輸入范圍之可變電阻與電阻。接著將由(1)式計(jì)算介于0~3.3 V 之電壓信號(hào)送入AD210AN 隔離放大器中,使信號(hào)與電源隔離。后級(jí)以電阻R3、R4、電容器C1、C2 及運(yùn)算放大器組成一個(gè)二階低通濾波器,用于濾 除系統(tǒng)因高頻切換所造成之高頻噪聲。由于TMS320F28335 之類比輸入分辨率為10 位,因此精確度可達(dá)3.3/210=3.23 mV。最后于ADC IN 兩端并聯(lián)一3.3V 二極管,確保送至DSP 之電壓介于0~3.3 V。

        2.2 電流感測(cè)電路設(shè)計(jì)

        同樣為監(jiān)測(cè)各轉(zhuǎn)換器之輸出電流,本文以LA55P 閉環(huán)路霍爾效應(yīng)電流感測(cè)器設(shè)計(jì)電流回授電 路如圖7 所示,用以即時(shí)回授各轉(zhuǎn)換器之輸出電流。LA55P 感測(cè)器之標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值為50 A,具有高測(cè)量精準(zhǔn)度、良好之線性度與優(yōu)異之抗干擾能力,透過(guò)M 腳位輸出電流至外部電阻即可得以一模擬電壓值表示之電流信號(hào)。在此電路中,將欲測(cè)量之電流穿過(guò)LA55P 之環(huán)路中,即可利用霍爾效應(yīng)(Hall Effect)比例式輸出一最大為60 mA 之電流,經(jīng)流通至電阻R3 后可得一電壓信號(hào)介于±4V 中,接著通過(guò)一非反向放大器,藉由調(diào)整VR1進(jìn)行增益的調(diào)整后使模擬電壓介于為0~3.3 V,其計(jì)算公式如(2)所示。

        圖7 電流回授電路圖

        其中VADC iIN為DC/DC 轉(zhuǎn)換模塊輸出電流之濾波前回授信號(hào)、iM為L(zhǎng)A55P 感測(cè)電流、VR1、R1 與R2 為用于調(diào)整電壓增益之可變電阻與電阻。

        2.3 電壓電流感測(cè)電路接線規(guī)劃

        本研究所設(shè)計(jì)之電壓電流整合感測(cè)電路則如圖8 所示,電壓感測(cè)電路共兩組,1 組監(jiān)控總電壓Vo,另1 組監(jiān)控電池電壓,并提供信息給UAVCU 以估算SOC。另一方面,電流感測(cè)電路共7 組,其中6 組用以監(jiān)控6 部2KW直流/直流轉(zhuǎn)換器之輸出電流,另1 組用于監(jiān)控電池輸出電流,以便由UAVCU 估算電池之SOC。所完成之實(shí)際電壓感測(cè)電路如圖10 所示,其中電壓感測(cè)量測(cè)比例為0~100V/0~1.8V;電流感測(cè)電路如圖9 所示,其中電流感測(cè)量測(cè)比例為0~50A/0~1.8V。

        圖8 電壓電流感測(cè)電路接線規(guī)劃

        圖9 電壓感測(cè)板實(shí)體圖

        圖10 電流感測(cè)板實(shí)體圖

        2.4 復(fù)合式動(dòng)力無(wú)人機(jī)電能管理硬件設(shè)計(jì)

        本文以TI DSP TMS320 F28335 實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)CU,其主要原因?yàn)榇诵酒羁爝\(yùn)算速度可達(dá)到150 MHz,并具備豐富且數(shù)量眾多之GPIO、PWM、I2C SCI、SPI與CAN 等多種信號(hào)傳輸功能,其中引擎油門以及節(jié)風(fēng)門控制采用PWM 訊號(hào),電壓與電流值為模擬信號(hào),另外為了避免類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換腳位于測(cè)量數(shù)值時(shí)受到干擾,須將參考電位妥善接地。最后利用電源供應(yīng)器以及示波器模擬信號(hào)源,確認(rèn)DSP 是否能正常工作。

        3 復(fù)合式動(dòng)力無(wú)人機(jī)電能管理次系統(tǒng)與系統(tǒng)整合測(cè)試

        在此階段結(jié)合上述所有部分進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件整合,并將DSP 作為無(wú)人機(jī)CU 在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)測(cè)試性能測(cè)試如圖11 所示。系統(tǒng)整合測(cè)試總共分為三部分,其中第一部分因?yàn)榭刂埔嬷?jié)氣門開度及阻風(fēng)門開關(guān),本文使用MBL-850 伺服馬達(dá),要控制其伺服馬達(dá)必須給予PWM 信號(hào),首先需要測(cè)試TMS320F28335 所輸出之PWM 值,必須讓伺服馬達(dá)能夠順利打開節(jié)氣門;另一組則是能將阻風(fēng)門達(dá)到全開或全關(guān)。在此階段要注意避免伺服馬達(dá)超過(guò)其極限范圍,以防馬達(dá)過(guò)載過(guò)熱而出現(xiàn)異常。第二部分是將TMS320F28335接上各感測(cè)元件,并且利用電子負(fù)載機(jī)模擬無(wú)人機(jī)在空中所會(huì)面臨的狀況,進(jìn)行變動(dòng)負(fù)載抽載模擬,如在輕載、中載及重載時(shí)引擎節(jié)氣門所反映的結(jié)果進(jìn)行觀察及校正。第三部分為最終測(cè)試階段,將TMS320F28335 及感測(cè)元件安裝于無(wú)人機(jī)并進(jìn)行試飛,并且收集各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)之改善。

        圖11 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)與次系統(tǒng)整合測(cè)試

        4 結(jié)論

        目前商用無(wú)人機(jī)多用于攝影及拍照所用,續(xù)航力較短,且受限于大小以及成本考察,一般商用無(wú)人機(jī)技術(shù)皆使用鋰電池作為其主要能量來(lái)源,少有使用兩種能源系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合動(dòng)力。本文主要目標(biāo)為建立一具引擎發(fā)電機(jī)與鋰電池復(fù)合電力之無(wú)人機(jī)系統(tǒng),借以提升續(xù)航力,并解決單一電池成本過(guò)高之問(wèn)題。而為了能充分發(fā)揮兩種電力源特性及達(dá)到最高效率,本文發(fā)展規(guī)則庫(kù)與模糊控制策略進(jìn)行電力輸出比控制,并且分配兩種電力源作動(dòng)時(shí)機(jī)。控制程序以Matlab/Simulink 程式之圖像構(gòu)架開發(fā),利用DSP 作為無(wú)人機(jī)CU接收前端各種感測(cè)信號(hào)進(jìn)行判斷,并下達(dá)控制指令。為了避免無(wú)人機(jī)因動(dòng)力不足而于高空墜落,在驗(yàn)證動(dòng)力源方面進(jìn)行多樣且謹(jǐn)慎的測(cè)試,從最初之程序模擬測(cè)試、HIL 測(cè)試、DSP 硬件測(cè)試、動(dòng)力計(jì)測(cè)試及最后的無(wú)人機(jī)上機(jī)測(cè)試,最后并收集各項(xiàng)信息以持續(xù)進(jìn)行后續(xù)改善及修正。

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