民用無人機(jī)載荷電源適配技術(shù)研究

毛明祥

針對民用無人機(jī)供電電壓體制單一，電源品質(zhì)不高，無法滿足低紋波和多種非標(biāo)電壓等多任務(wù)載荷供電要求，本文對民用無人機(jī)載荷電源適配技術(shù)研究，以適配各種任務(wù)載荷，使電源系統(tǒng)具備低紋波和多種非標(biāo)電壓任務(wù)載荷供電的能力。

目前，“鷂鷹”等工業(yè)級民用無人機(jī)主要應(yīng)用于地理測繪、海事監(jiān)測和森林防火等，尤其是地理測繪應(yīng)用方面，已經(jīng)完成貴州省安順局部地區(qū)測繪任務(wù)。大多數(shù)這類民用無人機(jī)執(zhí)行《飛機(jī)供電特性及對用電設(shè)備的要求》（GJB181）電源標(biāo)準(zhǔn)，要求電源系統(tǒng)脈動電壓峰峰值不超過4V，導(dǎo)致無人機(jī)電源品質(zhì)不滿足大多數(shù)民用領(lǐng)域任務(wù)載荷的用電要求。在執(zhí)行測繪飛行任務(wù)時，搭載的數(shù)碼相機(jī)容易出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，導(dǎo)致任務(wù)失敗。經(jīng)過分析并確定，電源紋波過大是導(dǎo)致數(shù)碼相機(jī)出現(xiàn)死機(jī)原因之一。

民用無人機(jī)電源特性

民用無人機(jī)機(jī)載主電源系統(tǒng)一般采用]臺交流發(fā)電機(jī)，經(jīng)過整流濾波調(diào)壓之后，輸出28V直流電作為飛機(jī)主電源，如圖1所示。

某型民用無人機(jī)采用一臺ROTAX914活塞發(fā)動機(jī)作為動力系統(tǒng)，同時也是機(jī)載交流發(fā)電機(jī)的原動機(jī)。該發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速達(dá)到6000r/min，屬于低轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)，這就決定了機(jī)載交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不會太高。經(jīng)整流濾波調(diào)壓之后，輸出低頻率的脈動直流電壓。脈動電壓峰峰值達(dá)到3V，滿足標(biāo)準(zhǔn)GJB181不超過4V的要求；電壓波動頻率幾十赫茲到幾百赫茲之間。某型無人機(jī)電源電壓紋波主要成份實測值如表1所示。

用于地理測繪的數(shù)碼相機(jī)、紅外攝像機(jī)、高光譜＼高精度定位定姿系統(tǒng)（POS）和微小型合成孔徑雷達(dá)（ miniSAR）等典型的民用任務(wù)載荷，要求供電電壓有12VDC、9VDC和5VDC不等，電壓紋波要求不大于供電電壓的1%。一般的無人機(jī)電源特性難以滿足現(xiàn)有民用任務(wù)載荷的用電需求。

載荷電源系統(tǒng)設(shè)計

針對任務(wù)載荷用電需求與飛機(jī)電源系統(tǒng)不匹配問題，采用有源電力濾波器技術(shù)對飛機(jī)電源進(jìn)行濾波，達(dá)到任務(wù)載荷紋波要求；針對采用非標(biāo)準(zhǔn)電壓（如12VDC、9VDC、5VDC等）的任務(wù)載荷，對飛機(jī)電源進(jìn)行DC-DC變換，以適配該類任務(wù)載荷用電需求。

載荷電源構(gòu)成

載荷電源由有源電力濾波器、不同電壓等級變換模塊、PWM信號發(fā)生器和驅(qū)動模塊組成。

有源電力濾波器對飛機(jī)電源進(jìn)行濾波，提高電源品質(zhì)；不同電壓等級變換模塊將有源電力濾波器輸出電壓進(jìn)行DC-DC變換輸出，輸出電壓可調(diào)，以適應(yīng)不同種類非標(biāo)用電設(shè)備，提升飛機(jī)電源系統(tǒng)適應(yīng)能力；PWM信號發(fā)生器產(chǎn)生濾波器和電壓變換模塊所需的控制信號，并送給驅(qū)動電路，由驅(qū)動電路驅(qū)動濾波器和電壓變換模塊內(nèi)部功率開關(guān)器件，如圖1所示。

有源電力濾波器

民用無人機(jī)電源電壓紋波主要是低頻電壓紋波，若能濾除其低頻紋波分量，將能顯著提高電源品質(zhì)。通常濾波技術(shù)有無源濾波器和有源濾波器兩種，理論上講均可以濾除某以特定頻率的諧波。無源濾波器和有源濾波器區(qū)別在于，無源濾波器特性受系統(tǒng)參數(shù)影響比較大，只能消除特定的幾次諧波，對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象，滿足低頻濾波所對應(yīng)的元件體積偏大等；與無源濾波器相比，有源濾波器不僅能補(bǔ)償各次諧波，濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。基于此，采用有源濾波器濾除飛機(jī)低頻電壓紋波。有源濾波器（Active Power Fliter，APF）是利用可控功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使總諧波電流為零，達(dá)到濾波效果。

DC-DC變換

數(shù)碼相機(jī)、紅外攝像機(jī)、高光譜、高精度POS和miniSAR等任務(wù)載荷要求供電電壓為12VDC、9VDC和5VDC不等，供電電壓均為非標(biāo)電壓，且小于電源電壓。采用DC-DC降壓變換電路來滿足不同任務(wù)載荷用電需求。

基本的降壓電路（Boost電路）如下：

輸出電壓U_o=Du_s，其中D為控制信號S的占空比，選擇合適的占空比可以得到期望的輸出電壓；控制信號S的控制策略與APF電路控制信號S2類似，均采用電壓環(huán)和電流環(huán)同時控制產(chǎn)生。

仿真實驗

基于Matlab的simlink模塊搭建仿真模型，對載荷電源進(jìn)行仿真實驗。

無人機(jī)電源模型采用受控電壓源產(chǎn)生，紋波成份包含表1中實測的紋波參數(shù)：3V/100Hz、2.2V/56kHz、1.2V/27kHz、0.37V/2.5kHz以及高斯白噪聲等。

有源電力濾波器APF電路參數(shù)選擇：濾波電感L取5uH，儲能電容C取470uF，輸出電容Co取470uF，濾波目標(biāo)：輸出紋波為1%，容量為290W。

DC-DC變換電路參數(shù)選擇：濾波電感L取1.2uH，輸出電容Co取940uF，濾波目標(biāo)：輸出紋波為1%，容量為12V/250W、9V/135W和4V/45W。

以上濾波目標(biāo)參數(shù)是根據(jù)無人機(jī)在實際裝載的任務(wù)載荷確定的。

電路仿真見圖5，運行該電路后輸出電壓與輸入電壓紋波對比見表2，仿真波形見圖6。

從仿真得出的數(shù)據(jù)看，輸出電壓為29V、12V、9V和5V的電壓紋波大約為1%，與電源電壓的紋波10.3%相比，大大提高載荷電源品質(zhì)，達(dá)到設(shè)計預(yù)期目標(biāo)。

結(jié)束語

本文針對民用無人機(jī)電源系統(tǒng)存在電壓體制單一且電源品質(zhì)不高、無法滿足多任務(wù)載荷供電要求這一問題，提出采用有源電力濾波器和DC-DC電壓變換等載荷電源適配解決方案。通過仿真驗證，該方案可以有效解決電壓體制單一和電源品質(zhì)不高等問題，使民用無人機(jī)電源系統(tǒng)具備低紋波和多種非標(biāo)電壓任務(wù)載荷供電的能力。