無人機先進配電技術應用研究

毛明祥

大多數無人機配電系統采用常規配電技術，常規配電控制裝置采用諸如繼電器、接觸器、斷路器、限流器等機電式配電裝置，此類配電裝置控制導線眾多，電網重量大，在開關轉換瞬間易產生電弧，長時間使用影響壽命，故障保護后，需要人工進行故障診斷，故障定位時間較長。常規配電系統的固有缺點已經無法滿足未來無人機集成化、自動化、智能化發展需求。本文就電氣負載管理中心以及固態功率控制器等無人機先進配電技術應用進行初步探討。

無人機供電系統是現代無人機的一個重要組成部分，其作用是向無人機上的所有用電設備提供滿足規定技術性能的電能，保證用電設備的正常工作。供電系統按照功能又可分為電源系統和配電系統兩大部分。電源系統由主電源、二次電源、應急電源和輔助電源等組成；配電系統由導線、配電裝置和保護裝置等組成，用于將電源產生的電能輸送到各用電設備。目前，應用最廣泛是常規配電系統。

常規配電系統是將配電功率線全部引入配電中心的匯流條，二級配電中心或電氣負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、限流器等機電式配電裝置。機電式配電裝置的采用，必然存在控制導線眾多，電網重量大；繼電器和接觸器為機械開關，在開關轉換瞬間易產生電弧，影響使用壽命，可靠性降低；斷路器和限流器等保護裝置，對后端進行故障保護后，需要人工進行故障診斷，故障定位時間較長。未來無人機將往集成化、自動化、智能化方向發展，常規配電系統的固有缺點，已經無法滿足未來無人機發展需求，基于此本文就電氣負載管理中心以及固態功率控制器（Solid-StatePower Controller，SSPC）等無人機先進配電技術應用進行初步探討。

電氣負載管理中心工作原理及組成

電氣負載管理中心是通過微處理單元將具有智能化、網絡功能的電器模塊有機的組合起來，針對系統發出的指令進行各種邏輯切換功能，以實現控制參數的數據采集、過載保護、數據集成及故障記錄功能的一種新型應用技術。其由微處理器（DSP）、存儲單元、固態功率控制器組成。系統框圖

電氣負載管理中心通過雙余度RS-422總線與上位機進行通信，由微處理器接收上位機控制指令，經由內部CAN總線與相應的固態功率控制器進行通信，同時監測固態功率控制器的工作狀態，實時反饋給上位機；固態功率控制器接收控制指令并相應控制接通或斷開負載，實現對用電設備的接通與分斷控制。

關鍵負載采用雙余度供電設計，電氣負載管理中心對雙余度供電線路進行實時監測和管理，保證飛機飛行安全。固態功率控制器

固態功率控制器是電氣負載管理中心的關鍵部件，用電設備的通斷控制、過流保護、電壓電流監控及過流保護點設置等功能均由其實現。單個固態功率控制器的電路框圖如圖2所示：

（1）用電設備的接通/斷開控制

固態功率控制器通過CAN總線接收來自微處理器的控制指令，經其內部邏輯部件運算分析，產生電驅動信號，驅動電力金氧半場效晶體管（MOSFET）的接通與關斷，實現對用電設備的接通與關斷控制。

（2）用電設備電壓電流實時監控

固態功率控制器對供電線路的電壓電流進行實時采樣，經A/D轉換后，送邏輯單元進行處理并將其結果反饋給電氣負載管理中心，由電氣負載管理中心報送上位機，實現主控系統對用電設備電壓電流的實時監控。

（3）過流保護點設置

固態功率控制器可以通過軟件進行過流保護點設置，在最大允許過載電流值之內，過載電流值可根據實際需要寫入其內部邏輯單元，便于滿足不同用設備要求。

（4）過流保護

固態功率控制器將實時監控的電流值與預先設置的過載電流值進行邏輯比較，若大于過載電流值，則視為負載電流過載或短路，控制斷開電力金氧半場效晶體管，保護用電安全，并將該狀態信息反饋電氣負載管理中心。

方案設計

現有在研無人機電氣系統配電網絡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載從匯流條獲得電能。控制裝置采用接觸器、繼電器、斷路器等機電式裝置。在多路傳輸配電系統中，采用了分布式匯流條和負載自動化管理技術，用電設備就近與配電匯流條相連，由計算機通過多路傳輸數據總線對電氣負載進行控制和管理。

分布式配電網絡

由于電氣負載分布于飛機各個角落，在用電設備比較集中的艙位配置電氣負載管理中心，同一飛機上可配置多個電氣負載管理中心，用電設備就近與配電匯流條相連。電氣負載管理中心通過系統總線與上位機相連，接收上位機控制指令，管理控制各路用電設備，并將各路用電設備狀態信息反饋上位機。各電氣負載管理中心分別與28V電源系統相連。分布式配電網絡框圖如圖3所示。

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

電氣負載供電線路連接設計

飛機電氣負載按其重要性分為關鍵負載和普通負載兩大類。

關鍵負載是指為保證飛機飛行安全所必需的用電設備，就無人機而言，如飛控系統、導航系統和測控系統等。為保證關鍵負載供電安全，采用兩路或多路供電，形成多余度供電設計，單個固態功率控制器失效不會導致用電設備斷電。普通負載是指除了關鍵負載之外的用電設備，供電線路采用單線連接即可。電路連接如圖4所示。

傳統控制裝置采用繼電器、接觸器、保險絲等機械式開關。與傳統控制裝置相比，采用固態功率控制器控制用電設備有以下優點：

（1）固態功率控制器的工作特點是無觸點的按通斷開負載，其內部沒有活動部件，無機械磨損，開通關斷時不會產生電弧，故障率低，可靠性高。

（2）固態功率控制器實時監測用電設備的電壓電流，并通過電氣負載管理中心反饋給上位機；因此上位機可以實時監測每一路負載的電壓和電流，若負載發生過流或短路故障，則上位機可以快速找出故障點。

（3）根據用電設備的實際需要，固態功率控制器可以通過軟件進行過流保護點設置，當用電設備電流超過預先設定值時，固態功率控制器立即跳閘，保護用電設備和線路。由于具有跳閘功能，則可以減少線路中保險絲的使用。

先進配電技術應用效能分析

以lOOOkg級左右無人機為例，目前國內的該級別無人機包括“鷂鷹”無人機、“翼龍”無人機和“彩虹”-4無人機等。這些無人機配電系統幾乎都采用常規配電，采用電氣負載管理中心以及固態功率控制器后，系統性能得到很大的提升，效能分析見表1。

結束語

本文就電氣負載管理中心在無人機中的應用進行了初步探討，通過與傳統配電網絡相比較，由于采用基于計算機化的總線管理及電力金氧半場效晶體管管的無觸點開關，大大優化電網設計，設計理念超前，技術上具有一定的前瞻性，能滿足未來無人機集成化、自動化、智能化發展需求，是未來無人飛機電氣配電網絡的發展方向。