無人機地面控制站應急電源逆變控制系統(tǒng)設計

羅佳偉，王保成，孫玉琳

（空軍勤務學院航空四站系，江蘇徐州221000）

無人機地面控制站應急電源逆變控制系統(tǒng)設計

羅佳偉，王保成，孫玉琳

（空軍勤務學院航空四站系，江蘇徐州221000）

為了給地面控制站提供安全可靠的應急電源，文章主要根據(jù)由DSP數(shù)字技術+脈寬調(diào)制SPWM驅(qū)動+IG?BT+隔離濾波為一體化設計發(fā)展起來的一個新型UPS電源系統(tǒng)，并對逆變控制系統(tǒng)進行了硬件和軟件設計。通過對控制系統(tǒng)的仿真驗證，得出所需的穩(wěn)定的三相交流電，說明該電源逆變控制系統(tǒng)可以為無人機地面控制站提供安全可靠的應急電源。

逆變控制；系統(tǒng)設計；應急電源；無人機；地面控制站

隨著一體化防空系統(tǒng)和反空襲手段的不斷發(fā)展，無人機將逐步承擔部分甚至大部分防空壓制和空中打擊任務，將成為空中作戰(zhàn)的一個主體力量。無人機的指揮控制、遙感分析、信息處理都由地面控制站指揮人員控制，無人機地面控制站包括任務站、起降站、視距站、引導站、衛(wèi)通站和情報站等[1-2]。一旦地面控制站供電系統(tǒng)發(fā)生故障，無人機就會處于失控狀態(tài)，將會造成無法估量的嚴重后果。

為充分保障無人機的飛行安全，本文在新型UPS電源系統(tǒng)的基礎上，對其逆變控制系統(tǒng)進行設計[3]，以保障無人機的正常飛行。

1 地面應急電源逆變控制系統(tǒng)總體設計

1.1 硬件總體設計

為了滿足無人機地面控制站應急電源三相逆變控制系統(tǒng)的設計要求，控制系統(tǒng)主要采用DSP（TMS320LF2812A）作為核心處理器。整個系統(tǒng)主要圍繞該處理器進行設計，其I/O口主要是對信號的控制，A/D口主要是信號的檢測，其余的接口主要是IGBT驅(qū)動信號的生成以及通信和顯示。系統(tǒng)主要包括如下幾個模塊：逆變模塊、控制模塊、采樣模塊以及顯示報警模塊[4]。逆變控制系統(tǒng)給地面控制站供電主要有2個方式：當市電正常時，市電直接通過繼電器開關給地面控制站供電；當市電異?；虍a(chǎn)生故障時，通過切換成逆變電源給地面控制站供電[5]；這兩個方式主要依靠控制繼電器開關進行切換。逆變控制系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。

在市電供電正常的情況下，DSP將K1閉合，K2斷開，直接通過旁路給負載供電。同時采集市電和蓄電池的電壓、電流，通過相關參數(shù)判斷狀態(tài)是否正常，并根據(jù)蓄電池狀態(tài)的不同用不同的充電方式充電。當市電檢測電路檢測到電壓異?；蝾l率不穩(wěn)定等故障時，DSP迅速切換K1斷開，切換K2閉合；用蓄電池逆變電路為負載供電，這個切換時間在1～5 ms內(nèi)左右。DSP通過矢量變化和PID調(diào)節(jié)器生成SPWM波形，其矢量變化主要是電壓空間矢量的合成，從而達到脈寬調(diào)制的目的[6-7]，然后通過IGBT放大電路對SPWM波形進行無失真放大，通過控制SPWM波形的占空比來控制IGBT的開斷，此時通過A/D口檢測逆變輸出電壓和電流；逆變輸出的電壓流過工頻變壓器，輸出的電壓后經(jīng)工頻濾波電容進行濾波，得到了高品質(zhì)的380 V三相正弦電壓。當DSP通過市電檢測模塊檢測到市電電壓和電流正常時，控制端控制切換開關，逆變系統(tǒng)斷開，重新恢復到市電為負載供電。

1.2 軟件總體設計

逆變控制系統(tǒng)軟件設計可分為單片機軟件設計和DSP軟件設計。DSP軟件系統(tǒng)主要完成PID控制和SPWM程序，電壓和電流參數(shù)的檢測，狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及與單片機SCI通信；單片機軟件系統(tǒng)完成采樣參數(shù)的數(shù)字化顯示、按鍵的接收處理以及故障報警；逆變控制系統(tǒng)軟件總體設計圖如圖2所示[8]。

逆變系統(tǒng)DSP軟件設計中主循環(huán)程序包括系統(tǒng)的狀態(tài)掃描和逆變系統(tǒng)切換的信號啟動；充電控制程序負責蓄電池的充電；狀態(tài)采樣程序主要負責實時采集各項參數(shù)；故障處理程序負責逆變系統(tǒng)的故障處理，當逆變系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，立即停止逆變；逆變控制程序負責調(diào)用逆變程序來啟動逆變系統(tǒng)，用逆變電源給負載供電；串口通信程序負責DSP主控模塊與MCU液晶顯示模塊之間信息的傳遞和顯示。

單片機軟件設計主要完成SCI通信程序與液晶顯示程序，SCI通信程序負責連接DSP主控模塊與MCU，液晶顯示程序用于實時顯示包括市電電壓值、逆變輸出電壓值、蓄電池電壓值與負載總功率值在內(nèi)的工作狀態(tài)和參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件模塊設計

1）逆變系統(tǒng)主電路模塊。逆變系統(tǒng)主電路由三相逆變橋、變壓器、濾波單元3個部分組成。功率開關是逆變電路器件的核心，這里采用的是IGBT。IGBT具有阻抗高、速度快、電流容量大和容易控制的特點。VT1-VT6及6個反并聯(lián)二極管組成的三相逆變橋構成雙向SPWM變換器。在檢測到市電掉電或任何一相電壓低于187 V或高于242 V，則啟動逆變程序，輸出SPWM波控制IGBT的關斷，從而對三相逆變橋進行控制，經(jīng)過工頻變壓器和三相濾波器濾波后，輸出高品質(zhì)220 V的三相正弦交流電供給負載。逆變控制系統(tǒng)主電路圖電路圖如圖3所示[9-10]。

2）系統(tǒng)主控模塊。三相逆變電源控制系統(tǒng)主控模塊主要功能是對SPWM輸出、三相逆變電壓、蓄電池充電電流、繼電器開關切換的控制，以及各種狀態(tài)參數(shù)的檢測、人機界面的輸入與顯示、報警。為了節(jié)約DSP資源，采用STCl 2C5A60S2單片機對報警、顯示電路的實現(xiàn)，通過SCI連接單片機與DSP的通信來提高系統(tǒng)的實時性和反應能力。

三相逆變控制電源系統(tǒng)將DSP2812的硬件資源充分利用起來，A/D采集口主要采集電壓、電流等狀態(tài)量，數(shù)字I/O口主要用于對開關和信號的控制，定時器主要產(chǎn)生10 kHz的載波，串口通信口實現(xiàn)實時監(jiān)控功能。

3）電壓采樣模塊。電壓采樣模塊是利用霍爾傳感器進行檢測，檢測后的電壓接入射極跟隨器，提高電路的輸入阻抗；再經(jīng)過電壓偏移電路和鉗位限幅電路環(huán)節(jié)，把電壓采樣值調(diào)到0～3.3 V輸入給DSP的A/ D接口，避免由于A/D接口的輸入電壓過高使得DSP芯片燒壞，由于主控芯片DSP2812的A/D轉(zhuǎn)換的ADC信號采樣端口只接受0～3.3 V的單極性信號。相電壓采樣電路原理圖如圖4所示[11]。

4）電流采樣模塊。和電壓采樣模塊相似，A/D轉(zhuǎn)換的ADC信號采樣端口不接受雙極性信號，所以只能將雙極性信號轉(zhuǎn)換為單極性信號；這里采用霍爾電流傳感器，首先將檢測出的電流信號輸入比較器的端口，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過射極跟隨器、電壓偏移電路和鉗位限幅電路，保證輸入A/D的電壓信號在0～3.3 V以內(nèi)。

電流采樣電路原理圖如圖5所示[12]，霍爾電流傳感器輸出電流范圍為（-100～+100 mA）。

5）系統(tǒng)輔助電源與IGBT驅(qū)動模塊設計。在三相逆變電源控制系統(tǒng)中采用單端反激式電路拓撲結構，該結構簡單高效，且能在小功率場合中應用，達到了系統(tǒng)輔助電源輸出路數(shù)多，彼此間相互隔離的要求。

IGBT驅(qū)動電路不僅能夠驅(qū)動逆變電路工作，又實現(xiàn)了主控模塊和逆變模塊之間的有效地隔離，電路如圖6所示[13]。逆變控制系統(tǒng)采用IGBT作為功率開關器件，為滿足應急電源逆變控制系統(tǒng)的要求，在轉(zhuǎn)換供電電源時，轉(zhuǎn)換時間必須要快，一般在1～5 ms左右，這就要求IGBT驅(qū)動電路輸出電阻，快速建立驅(qū)動電壓，才能滿足轉(zhuǎn)換的時間要求。另外，IGBT柵極和射極之間的開通電壓一般在1.2～1.5 V左右，而且為避免開關損耗，在IGBT關斷時須加上8 V的負驅(qū)動電壓，同時防止誤導通。因此，IGBT驅(qū)動電路模塊的設計十分重要，它將直接影響逆變控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。所以在設計時應注意在導通瞬間，驅(qū)動電路要能提供足夠大的驅(qū)動電流，使柵源極電壓（VGs）能快速上升到所需值，并且保持電壓的穩(wěn)定，避免由于電壓上升過快帶來的脈沖高頻振蕩[14]；在關斷時，驅(qū)動電路要提供盡可能低阻抗的通路，使IGBT開關管柵源極之間的電容電壓快速的釋放掉，保證IGBT開關管能快速關斷[15]。

3 系統(tǒng)軟件設計

考慮到逆變控制系統(tǒng)是實時性以及系統(tǒng)采樣點中斷次數(shù)較高，為提高程序較好的移植性和控制性，核心處理器DSP2812為C語言編寫代碼，其編寫出的代碼移植性強、更容易控制，并采用模塊化編程[16]，DSP主控軟件部分可以分成幾大模塊：主循環(huán)系統(tǒng)檢測、蓄電池充電與逆變控制、故障處理控制、通訊功能。

DSP控制軟件系統(tǒng)結構主要由主程序和SPWM中斷服務子程序組成。

1）主程序。主程序主要是一個無限循環(huán)系統(tǒng)，含有逆變等多個子程序，并無限次的運行。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

2）PID調(diào)節(jié)器控制和SPWM中斷程序。PID調(diào)節(jié)器控制和SPWM中斷程序是中斷程序的最核心環(huán)節(jié)，其中PID為實現(xiàn)對被控對象的控制，為消除系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)振蕩，采用PI控制算法[17-18]，其PI算法流程圖如圖8所示。SPWM中斷服務子程序主要在主程序中斷時才會被調(diào)用，其SPWM波形主要是PI算法調(diào)節(jié)后的值與比較寄存器的值進行比較得出的，SPWM中斷服務子程序流程圖如圖9所示。

4 逆變控制系統(tǒng)仿真驗證

根據(jù)逆變控制系統(tǒng)的主控電路，在Matlab/Simulink環(huán)境下進行系統(tǒng)的仿真驗證，系統(tǒng)仿真結構模型如圖10所示。

下面是系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的仿真波形及相關分析。首先對空載穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下逆變系統(tǒng)進行仿真驗證，如圖11所示。得出三相輸出電壓仿真波形和某相電壓諧波含量圖，可以看出逆變器三相輸出電壓穩(wěn)定，該相電壓諧波含量為0.09%。

逆變器滿載穩(wěn)態(tài)時三相輸出電壓電流仿真波形和某相電壓諧波含量圖如圖12所示，逆變器能保持良好的波形質(zhì)量，該相電壓諧波含量為0.2%，滿足逆變器的設計要求。

為逆變系統(tǒng)接不平衡負載（A相滿載，B、C相空載）時穩(wěn)態(tài)輸出電壓仿真波形見圖13，從仿真波形可以看出逆變器對三相不平衡負載引起的波形畸變有良好的調(diào)節(jié)作用，輸出對稱穩(wěn)定的為三相正弦電壓。

5 結語

本文主要以DSP（TMS320LF2812A）作為核心理器，對新型UPS應急電源逆變控制系統(tǒng)進行了設計。并通過Matlab/Simulink的仿真驗證，在帶空載、滿載和不平衡負載的情況下，分別得到含諧波成分較少的穩(wěn)定的三相交流電，可以在市電斷電的情況下實現(xiàn)應急電源的轉(zhuǎn)換，滿足無人機保障對電源的要求。

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System Design of Emergency Power Inevrter Control for the UAV Ground Control Station

LUO Jiawei,WANG Baocheng,SUN Yulin
（Department of Aviation Four Stations,Air Force Logistics College,Xuzhou Jiangsu 221000,China）

To provide safe and reliable emergency power for the ground control station,in this paper,according to a new UPS power that added the DSP digital technology,SPWM,IGBT and isolate filter,designs of hardware and software were taken for inverter power control.Though the simulation of control system,the steady three phase alternating current was got,and it showed that the new UPS power system could provide the safe and reliable emergency power for the UAV ground control station.

inverter control;system design;emergency power;UAV;ground control station

TN86

A

1673-1522（2017）02-0220-07

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.02.008

2016-12-26；

2017-03-07

羅佳偉（1994-），男，碩士生。