機(jī)載升降機(jī)構(gòu)電控防浪涌模塊設(shè)計(jì)

張文博，王惠林，李濤，趙志草，柯詩(shī)劍

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

在無(wú)人機(jī)[1]巡航階段，光電任務(wù)設(shè)備被機(jī)載升降機(jī)構(gòu)降至預(yù)定位置，實(shí)現(xiàn)其作戰(zhàn)功能；在起飛、降落階段，升降機(jī)構(gòu)將光電設(shè)備升至無(wú)人機(jī)艙段內(nèi)的安全位置，保證機(jī)體空氣動(dòng)力學(xué)特性及任務(wù)設(shè)備的安全性[2]。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和各類任務(wù)要求的提高，對(duì)升降機(jī)構(gòu)在機(jī)載任務(wù)設(shè)備中的可靠性、穩(wěn)定性、安全性要求更高[3-4]。在使用備用電源進(jìn)行任務(wù)測(cè)試過(guò)程中，由于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的供電電路和接口電路電源特性在升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中[5-8]考慮欠缺，導(dǎo)致浪涌電流超限，無(wú)人機(jī)備用電源出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，無(wú)人機(jī)上其他任務(wù)設(shè)備無(wú)法正常工作，因此，在升降機(jī)構(gòu)電控部分加入防浪涌模塊尤為重要。

文中通過(guò)對(duì)實(shí)際工程中啟動(dòng)或浪涌電流超限導(dǎo)致無(wú)人機(jī)備用電源過(guò)流保護(hù)進(jìn)而引起的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合目前浪涌電流的通用測(cè)試方法和機(jī)載產(chǎn)品對(duì)設(shè)備啟動(dòng)或浪涌電流使用的改進(jìn)措施，提出適用于無(wú)人機(jī)載升降機(jī)構(gòu)的防浪涌參考電路，并驗(yàn)證其實(shí)用性[9-11]。

1 浪涌概述

浪涌是一種突發(fā)性電流脈沖或瞬態(tài)電壓，是指電源接通瞬間，可能是因電源瞬間開(kāi)斷、市電不穩(wěn)、電路內(nèi)部參數(shù)變化而導(dǎo)致流入電源設(shè)備的峰值電流或電壓，此類電流或電壓的脈沖寬度甚至可以達(dá)到納秒級(jí)[12-16]。微秒級(jí)內(nèi)高頻沖擊電壓或沖擊電流具有一定危害性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備不可逆的損壞。

在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中，電容對(duì)供電電源起濾波作用，但在通電瞬間，電容瞬時(shí)充電會(huì)形成浪涌電流；而另一類浪涌電流則源于感性負(fù)載，小阻值導(dǎo)致啟動(dòng)瞬間出現(xiàn)大電流[16]。在電源接通瞬間，電容迅速充電，微觀上相當(dāng)于瞬時(shí)短路，產(chǎn)生尖峰電流；而感性負(fù)載電機(jī)在通電時(shí)相當(dāng)于導(dǎo)線，微觀上亦相當(dāng)于瞬時(shí)短路[17]，產(chǎn)生的實(shí)際瞬態(tài)電流可能是額定電流的幾倍甚至幾十倍[18]，可能損害供電系統(tǒng)，影響其他電子設(shè)備正常運(yùn)行，降低了系統(tǒng)的可靠性。設(shè)備等效供電示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備等效供電示意圖

2 防浪涌電路設(shè)計(jì)

為解決上述問(wèn)題，避免不必要的損失及事故的發(fā)生，對(duì)升降機(jī)構(gòu)供電系統(tǒng)進(jìn)行了分析[19]，供電示意圖如圖2所示。

圖2 升降機(jī)構(gòu)供電示意圖

該系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)與圖1所示供電結(jié)構(gòu)圖匹配性較高，說(shuō)明升降機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生了浪涌電流，即感性負(fù)載電機(jī)在通電瞬間帶來(lái)的瞬間過(guò)大電流。感性負(fù)載電機(jī)具有阻抗小的特點(diǎn)，接通時(shí)浪涌電流較高，最大接通浪涌電流為：

其中，Umax為電機(jī)兩端供電電壓峰值，RM為電機(jī)內(nèi)阻。通常RM較小，因此IP很大，當(dāng)IP大到一定程度時(shí)，便會(huì)引起供電電源保護(hù)。出現(xiàn)浪涌電流時(shí)，干擾將會(huì)影響其他相鄰用電設(shè)備，就升降機(jī)構(gòu)控制器本身而言，性能會(huì)隨著反復(fù)、多頻次大電流沖擊而逐步惡化，因此限制浪涌電流顯得非常必要[20]。

針對(duì)前述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了浪涌電流抑制模塊，如圖3所示。

圖3 浪涌電流抑制電路

當(dāng)浪涌抑制模塊+Vin、-Vin通電時(shí)，浪涌電流經(jīng)電阻RL至輸出端+、-；R3、R5采集輸出電壓，將分壓信號(hào)發(fā)送至電壓基準(zhǔn)U1；當(dāng)電路輸出端+、-兩端達(dá)到一定電壓時(shí)，經(jīng)R3、R5得到的分壓信號(hào)使U1導(dǎo)通，從而使光電耦合器U2導(dǎo)通，當(dāng)U2導(dǎo)通時(shí)，+Vin端電壓經(jīng)U2-B、R1、R2得到的分壓信號(hào)發(fā)送至MOS管Q1、Q2柵極使其導(dǎo)通。MOS管柵源極之間接有電容C1，R1、R2的分壓信號(hào)使C1開(kāi)始充電，MOS管柵源電壓VGS會(huì)緩慢上升，控制MOS管Q1、Q2線性導(dǎo)通，使供電回路中電流緩慢增大，從而減小浪涌電流。在前端供電回路中增加該浪涌電流抑制模塊，可以有效抑制升降機(jī)構(gòu)開(kāi)機(jī)瞬間產(chǎn)生的浪涌電流。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3.1.1 供電電源

系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源，該電源需具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能，輸入電壓為標(biāo)準(zhǔn)交流220 V，輸出電壓設(shè)定值為直流28 V，限電流為50 A。

3.1.2 電源開(kāi)關(guān)

由于開(kāi)關(guān)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)浪涌電流幅值測(cè)試有重大影響，所以采用專用供電電源內(nèi)部磁保持繼電器形式的開(kāi)關(guān)，進(jìn)行電子輸出控制。電源開(kāi)關(guān)的測(cè)量位置應(yīng)盡可能反映或模擬真實(shí)升降機(jī)構(gòu)供電情況。

3.1.3 電流卡鉗

采用高精度交流或直流鉗形表，可進(jìn)行電流的電平輸出、波形輸出和頻率的模擬輸出，最高可測(cè)電流為2 000 A，具備峰值保持功能，直流電流基本精度為±1.3%rdg。

3.1.4 示波器

采用數(shù)字示波器進(jìn)行測(cè)試，要求示波器帶寬不低于500 MHz。

3.2 結(jié)果分析

設(shè)定直流穩(wěn)壓電源輸入電壓為28 V；將負(fù)載環(huán)境盡量設(shè)置為與系統(tǒng)被測(cè)設(shè)備加電時(shí)相同的工作環(huán)境；示波器電壓、電流測(cè)試點(diǎn)位置選取在浪涌電路前端、直流供電點(diǎn)后端；在供電回路正線端安裝電流卡鉗探頭，將示波器觸發(fā)模式設(shè)置為上升沿觸發(fā)，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定脈沖高度、觸發(fā)電平及觸發(fā)脈沖寬度；抓取升降機(jī)構(gòu)通電瞬間浪涌電流波形，得到的最大值作為浪涌電流的幅值。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)升降機(jī)構(gòu)原始狀態(tài)進(jìn)行浪涌電流測(cè)定，對(duì)增加浪涌抑制模塊的升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行浪涌電流測(cè)定，如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)浪涌電流情況

從圖5中可以看出增加浪涌抑制模塊前，設(shè)置示波器刻度為500 mV一格，設(shè)置電流卡鉗為每100 mV對(duì)應(yīng)1 A，實(shí)測(cè)浪涌電流值為24 A。增加浪涌抑制模塊后，設(shè)置示波器刻度為200 mV一格，設(shè)置電流卡鉗為每100 mV對(duì)應(yīng)1 A，實(shí)測(cè)浪涌電流值為6.1 A。

4 結(jié) 論

文中通過(guò)對(duì)目前機(jī)載升降機(jī)構(gòu)浪涌電流抑制問(wèn)題分析，設(shè)計(jì)了浪涌電流抑制電路，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有良好的抑制效果，能夠有效防止容性和感性設(shè)備產(chǎn)生的浪涌電流對(duì)升降機(jī)構(gòu)乃至無(wú)人機(jī)供電系統(tǒng)的危害，提高了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)供電電路的可靠性、安全性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了浪涌電流抑制電路的重要性和有效性，該浪涌電流抑制模塊具備擴(kuò)展同類產(chǎn)品的意義。