[发明专利]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

权利要求书

1.一种基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置，其特征在于，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；所述发电机分段控制情况，是根据能量守恒，电机发电量等于驱动力与动子移动距离之积；通过控制动子驱动力来控制发电机发电量；保持总发电量不变，调整瞬时发电量，调整动子运动速度，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；

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。

2.如权利要求1所述的基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置，其特征在于，在所述电流控制单元中，根据电磁力等于磁场强度、电流大小与线圈长度三者之积，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。

3.如权利要求1所述的基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置，其特征在于，在所述电流控制单元中，发电机电压U_S与电流i_L(t)关系为：

其中，R_o为电机的励磁绕组电阻值，Ω；t为时间，单位为s；τ为电机常数。

4.如权利要求1所述的基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置，其特征在于，在所述电流控制单元中，采用DCM算法来优化所需电压。

5.如权利要求4所述的基于电压调节的自由活塞直线发电机功率调节装置，其特征在于，在所述电流控制单元中，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。

6.一种基于权利要求1所述的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，其特征在于，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；所述发电机分段控制情况，是根据能量守恒，电机发电量等于驱动力与动子移动距离之积；通过控制动子驱动力来控制发电机发电量；保持总发电量不变，调整瞬时发电量，调整动子运动速度，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；

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。

7.如权利要求6所述的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，其特征在于，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；根据电磁力等于磁场强度、电流大小与线圈长度三者之积，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。

8.如权利要求6所述的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，其特征在于，发电机电压U_S与电流i_L(t)关系为：

其中，R_o为电机的励磁绕组电阻值，Ω；t为时间，单位为s；τ为电机常数。

9.如权利要求6所述的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，其特征在于，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。