無(wú)人機(jī)先進(jìn)配電技術(shù)應(yīng)用研究

毛明祥

大多數(shù)無(wú)人機(jī)配電系統(tǒng)采用常規(guī)配電技術(shù)，常規(guī)配電控制裝置采用諸如繼電器、接觸器、斷路器、限流器等機(jī)電式配電裝置，此類配電裝置控制導(dǎo)線眾多，電網(wǎng)重量大，在開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間易產(chǎn)生電弧，長(zhǎng)時(shí)間使用影響壽命，故障保護(hù)后，需要人工進(jìn)行故障診斷，故障定位時(shí)間較長(zhǎng)。常規(guī)配電系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)已經(jīng)無(wú)法滿足未來(lái)無(wú)人機(jī)集成化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展需求。本文就電氣負(fù)載管理中心以及固態(tài)功率控制器等無(wú)人機(jī)先進(jìn)配電技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行初步探討。

無(wú)人機(jī)供電系統(tǒng)是現(xiàn)代無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要組成部分，其作用是向無(wú)人機(jī)上的所有用電設(shè)備提供滿足規(guī)定技術(shù)性能的電能，保證用電設(shè)備的正常工作。供電系統(tǒng)按照功能又可分為電源系統(tǒng)和配電系統(tǒng)兩大部分。電源系統(tǒng)由主電源、二次電源、應(yīng)急電源和輔助電源等組成；配電系統(tǒng)由導(dǎo)線、配電裝置和保護(hù)裝置等組成，用于將電源產(chǎn)生的電能輸送到各用電設(shè)備。目前，應(yīng)用最廣泛是常規(guī)配電系統(tǒng)。

常規(guī)配電系統(tǒng)是將配電功率線全部引入配電中心的匯流條，二級(jí)配電中心或電氣負(fù)載從匯流條獲得電能，控制裝置采用諸如繼電器、接觸器、斷路器、限流器等機(jī)電式配電裝置。機(jī)電式配電裝置的采用，必然存在控制導(dǎo)線眾多，電網(wǎng)重量大；繼電器和接觸器為機(jī)械開關(guān)，在開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間易產(chǎn)生電弧，影響使用壽命，可靠性降低；斷路器和限流器等保護(hù)裝置，對(duì)后端進(jìn)行故障保護(hù)后，需要人工進(jìn)行故障診斷，故障定位時(shí)間較長(zhǎng)。未來(lái)無(wú)人機(jī)將往集成化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，常規(guī)配電系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)，已經(jīng)無(wú)法滿足未來(lái)無(wú)人機(jī)發(fā)展需求，基于此本文就電氣負(fù)載管理中心以及固態(tài)功率控制器（Solid-StatePower Controller，SSPC）等無(wú)人機(jī)先進(jìn)配電技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行初步探討。

電氣負(fù)載管理中心工作原理及組成

電氣負(fù)載管理中心是通過(guò)微處理單元將具有智能化、網(wǎng)絡(luò)功能的電器模塊有機(jī)的組合起來(lái)，針對(duì)系統(tǒng)發(fā)出的指令進(jìn)行各種邏輯切換功能，以實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、過(guò)載保護(hù)、數(shù)據(jù)集成及故障記錄功能的一種新型應(yīng)用技術(shù)。其由微處理器（DSP）、存儲(chǔ)單元、固態(tài)功率控制器組成。系統(tǒng)框圖

電氣負(fù)載管理中心通過(guò)雙余度RS-422總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，由微處理器接收上位機(jī)控制指令，經(jīng)由內(nèi)部CAN總線與相應(yīng)的固態(tài)功率控制器進(jìn)行通信，同時(shí)監(jiān)測(cè)固態(tài)功率控制器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)；固態(tài)功率控制器接收控制指令并相應(yīng)控制接通或斷開負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的接通與分?jǐn)嗫刂啤?/p>

關(guān)鍵負(fù)載采用雙余度供電設(shè)計(jì)，電氣負(fù)載管理中心對(duì)雙余度供電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，保證飛機(jī)飛行安全。固態(tài)功率控制器

固態(tài)功率控制器是電氣負(fù)載管理中心的關(guān)鍵部件，用電設(shè)備的通斷控制、過(guò)流保護(hù)、電壓電流監(jiān)控及過(guò)流保護(hù)點(diǎn)設(shè)置等功能均由其實(shí)現(xiàn)。單個(gè)固態(tài)功率控制器的電路框圖如圖2所示：

（1）用電設(shè)備的接通/斷開控制

固態(tài)功率控制器通過(guò)CAN總線接收來(lái)自微處理器的控制指令，經(jīng)其內(nèi)部邏輯部件運(yùn)算分析，產(chǎn)生電驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電力金氧半場(chǎng)效晶體管（MOSFET）的接通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的接通與關(guān)斷控制。

（2）用電設(shè)備電壓電流實(shí)時(shí)監(jiān)控

固態(tài)功率控制器對(duì)供電線路的電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送邏輯單元進(jìn)行處理并將其結(jié)果反饋給電氣負(fù)載管理中心，由電氣負(fù)載管理中心報(bào)送上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)對(duì)用電設(shè)備電壓電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）過(guò)流保護(hù)點(diǎn)設(shè)置

固態(tài)功率控制器可以通過(guò)軟件進(jìn)行過(guò)流保護(hù)點(diǎn)設(shè)置，在最大允許過(guò)載電流值之內(nèi)，過(guò)載電流值可根據(jù)實(shí)際需要寫入其內(nèi)部邏輯單元，便于滿足不同用設(shè)備要求。

（4）過(guò)流保護(hù)

固態(tài)功率控制器將實(shí)時(shí)監(jiān)控的電流值與預(yù)先設(shè)置的過(guò)載電流值進(jìn)行邏輯比較，若大于過(guò)載電流值，則視為負(fù)載電流過(guò)載或短路，控制斷開電力金氧半場(chǎng)效晶體管，保護(hù)用電安全，并將該狀態(tài)信息反饋電氣負(fù)載管理中心。

方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有在研無(wú)人機(jī)電氣系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)均采用輻射式供電布置，即所有功率線全部引入配中心的匯流條，二次配電中心或電氣負(fù)載從匯流條獲得電能?？刂蒲b置采用接觸器、繼電器、斷路器等機(jī)電式裝置。在多路傳輸配電系統(tǒng)中，采用了分布式匯流條和負(fù)載自動(dòng)化管理技術(shù)，用電設(shè)備就近與配電匯流條相連，由計(jì)算機(jī)通過(guò)多路傳輸數(shù)據(jù)總線對(duì)電氣負(fù)載進(jìn)行控制和管理。

分布式配電網(wǎng)絡(luò)

由于電氣負(fù)載分布于飛機(jī)各個(gè)角落，在用電設(shè)備比較集中的艙位配置電氣負(fù)載管理中心，同一飛機(jī)上可配置多個(gè)電氣負(fù)載管理中心，用電設(shè)備就近與配電匯流條相連。電氣負(fù)載管理中心通過(guò)系統(tǒng)總線與上位機(jī)相連，接收上位機(jī)控制指令，管理控制各路用電設(shè)備，并將各路用電設(shè)備狀態(tài)信息反饋上位機(jī)。各電氣負(fù)載管理中心分別與28V電源系統(tǒng)相連。分布式配電網(wǎng)絡(luò)框圖如圖3所示。

與傳統(tǒng)配電方式相比，由于采用基于總線管理的多路配電傳輸技術(shù)，且控制組件安裝在離負(fù)載較近的區(qū)域，減少線纜和連接器的使用，從而大大減輕電網(wǎng)重量，提高配電可靠性和自動(dòng)化程度。

電氣負(fù)載供電線路連接設(shè)計(jì)

飛機(jī)電氣負(fù)載按其重要性分為關(guān)鍵負(fù)載和普通負(fù)載兩大類。

關(guān)鍵負(fù)載是指為保證飛機(jī)飛行安全所必需的用電設(shè)備，就無(wú)人機(jī)而言，如飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)等。為保證關(guān)鍵負(fù)載供電安全，采用兩路或多路供電，形成多余度供電設(shè)計(jì)，單個(gè)固態(tài)功率控制器失效不會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備斷電。普通負(fù)載是指除了關(guān)鍵負(fù)載之外的用電設(shè)備，供電線路采用單線連接即可。電路連接如圖4所示。

傳統(tǒng)控制裝置采用繼電器、接觸器、保險(xiǎn)絲等機(jī)械式開關(guān)。與傳統(tǒng)控制裝置相比，采用固態(tài)功率控制器控制用電設(shè)備有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）固態(tài)功率控制器的工作特點(diǎn)是無(wú)觸點(diǎn)的按通斷開負(fù)載，其內(nèi)部沒(méi)有活動(dòng)部件，無(wú)機(jī)械磨損，開通關(guān)斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電弧，故障率低，可靠性高。

（2）固態(tài)功率控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電設(shè)備的電壓電流，并通過(guò)電氣負(fù)載管理中心反饋給上位機(jī)；因此上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一路負(fù)載的電壓和電流，若負(fù)載發(fā)生過(guò)流或短路故障，則上位機(jī)可以快速找出故障點(diǎn)。

（3）根據(jù)用電設(shè)備的實(shí)際需要，固態(tài)功率控制器可以通過(guò)軟件進(jìn)行過(guò)流保護(hù)點(diǎn)設(shè)置，當(dāng)用電設(shè)備電流超過(guò)預(yù)先設(shè)定值時(shí)，固態(tài)功率控制器立即跳閘，保護(hù)用電設(shè)備和線路。由于具有跳閘功能，則可以減少線路中保險(xiǎn)絲的使用。

先進(jìn)配電技術(shù)應(yīng)用效能分析

以lOOOkg級(jí)左右無(wú)人機(jī)為例，目前國(guó)內(nèi)的該級(jí)別無(wú)人機(jī)包括“鷂鷹”無(wú)人機(jī)、“翼龍”無(wú)人機(jī)和“彩虹”-4無(wú)人機(jī)等。這些無(wú)人機(jī)配電系統(tǒng)幾乎都采用常規(guī)配電，采用電氣負(fù)載管理中心以及固態(tài)功率控制器后，系統(tǒng)性能得到很大的提升，效能分析見表1。

結(jié)束語(yǔ)

本文就電氣負(fù)載管理中心在無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探討，通過(guò)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)相比較，由于采用基于計(jì)算機(jī)化的總線管理及電力金氧半場(chǎng)效晶體管管的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，大大優(yōu)化電網(wǎng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)理念超前，技術(shù)上具有一定的前瞻性，能滿足未來(lái)無(wú)人機(jī)集成化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展需求，是未來(lái)無(wú)人飛機(jī)電氣配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。