無人機之混合電能控制器設計與電力整合

王紹武，沈彥霖

（1.平頂山工業職業技術學院，河南平頂山，467001；2.河南神馬尼龍化工有限公司，河南平頂山，467013）

0 前言

隨著全球節能減碳的倡導，推動電動化以提升交通運輸能源使用效率與降低排放已成國際重要趨勢。目前復合電能系統之類似構架已經用于電動車輛電力系統進行優化，主要是以延長續航力、節約能源、提升效率與降低成本為目標，進而達到較高整體性能與整體系統動力。為了獲得最佳能源管理策略，本文采用工程直覺化設計特點的規則庫控制方式，結合模糊邏輯控制復合動力系統，而無人機控制單元依照馬達動力需求，控制引擎油門以及相關電子系統，達能源使用最佳化的目標。

1 復合式電能無人機軟件設計

本文以DSPTMS320F28335 處理器作為無人機控制單元。而為了方便且快速地開發此DSP 程序，本文以Matlab/Simulink 軟體進行主要程序撰寫，并搭配Stateffow 開發各種條件判斷模式。為了確保無人機之運轉安全，在程序模擬方面共進行三次于不同環境下的模擬測試，第一次為當程序撰寫完畢后，利用Matlab/Simulink 內置模擬系統進行模擬，確認基本參數是否有設定正確。第二次為利用Terasoft 公司所研發之快速雛型控制器Microbox 進行硬件回路（Hardware-In-theLoop，HIL）模擬測試，主要為測試當程序燒入至控制硬件后，是否會有錯誤發生。第三次將撰寫好之控制策略燒入至微處理芯片中進行測試及控制，另在硬件前端建置多個傳感器，借此透過觀測系統狀態而主動計算復合式電力分配比例。在確認主動式能源管理有效后，再進行無人機控制單元設計，提高實際應用之可行性。

1.1 規則庫控制策略

依據無人機現有使用方式，有引擎發電機待機、無人機定點懸置與高負載等主要操作模式。定義Pd為無人機需求功率；Pg為無人機之引擎發電機輸出功率。以最佳引擎發電機功率輸出定值，如圖1 虛線所示，當Pd＞ Pg，代表為復合電能輸出模式，引擎發電機與鋰電池系統以并聯方式提供多旋翼馬達電能需求；當Pd＜ Pg為充電模式，引擎發電機主要供給鋰電池充電用，部分電能提供多旋翼馬達使用。

圖1 無人機控制模塊功率控制方案

1.2 Matlab/Simulink 模擬結果

本項目采用Matlab/Simulink 模擬環境進行測試，建構v 型驗證中的Model-In-the-Loop及HIL 驗證，有助于未來實際對無人機進行調校，提升無人機性能與可靠度。本模擬利用先行實測之電池能耗數據建立無人機控制單元模塊如圖2 所示，可計算鋰電池剩余電量。

圖2 無人機控制單元模塊

了解無人機實際飛行所需之能耗有利本文之模式建立，經實測無人機飛行情況得知：當無人機進行拉升及回轉時需較大之瞬間電流，而正常航行之工作電流約為100 如圖3所示。控制策略如上節所述，利用電流及鋰電池殘電量大小建立規則庫。規則庫中分三大模式：高負載、中負載及低負載，分別以無人機引擎于不同負載區間實測之制動燃油消耗量（Brake SpeciffcFuel Consumption，BSFC）定義其油門開度(α)，其中油門開度區間為0 至1 之連續數值。本階段性能測試先將高負載之油門開度定義為1；中負載之油門開度定義為0.5；低負載之油門開度定義為0.1 進行模擬，測試總秒數為500 秒，根據電池放電電流推算之鋰電池殘電量。模式切換分五種模式：模式一為系統待命、引擎怠速，可隨時起動之狀態；模式二為低負載；模式三為中負載；模式四為高負載；模式五為安全模式，當系統無法偵測電流或SOC 低于5%時觸發之模式。本測試之模擬模式結果如圖4 所示，而其對應之油門開度數值如圖5 所示，其中為避免模式切換過于頻繁影響控制油門之伺服馬達作動造成相關部件損壞，模式及油門開度之輸出結果皆經過濾波處理。

圖3 無人機實測電流

圖4 無人機模塊模式切換

圖5 無人機油門切換

1.3 HIL 模擬過程與結果

本項目利用兩部快速雛型控制器Microbox 實現HIL 測試模擬，透過各別定義快速雛型控制器為能量管理控制器及整機系統控制器采用模擬訊號雙向溝通的即時模擬，可于實機測試前先行檢測問題并優先解決。采用兩快速雛型控制器進行HIL 結果顯示，模擬與實時模擬仍有0.001%誤差，未來可利用降低白噪音（White Noise）方式改進。復合式動力無人機之電壓與電流感測電路開發為使無人機控制單元具備過壓與過流保護能力，避免DC/DC 轉換模塊于無人機運行過程中，因電流分配不均造成單部或多部轉換模塊燒毀之疑慮，本文進一步設計電壓與電流感測電路用以即時將各模塊之輸出電流、直流鏈電壓與電池電壓電流信號回傳至無人機控制單元中，使無人機控制單元監控各狀態信息。除可估算電池之SOC 外，亦可避免DC/DC 電路模塊因輸出電壓與電流之異常，造成后端無人機馬達燒毀或無法預期之動作，提高整機安全性。

2 電壓、電流感測以及復合式動力電能管理硬件設計

2.1 電壓感測電路

本文以AD210AN 隔離放大器設計電壓回 路如圖6 所示，此電路所使用之AD210AN 隔離放大器提供1 至100倍的電壓增益，具有精度高、成本低與體積小之優點。內部采用變壓器耦合放大器構架，可對輸入和輸出信號進行隔離，避免測量之電壓信號受到各種電磁、噪聲與誤差之影響。在此電路中，輸入信號需先經過電阻適當分壓，其分壓公式為：

圖6 電壓回授電 路圖

以滿足TMS320F28335模擬輸入電壓范圍0~3.3 V 之要求，其中VAD210為AD210AN隔離放大器之輸入信號，Vbus為DC/DC 轉換模塊輸出電 壓，VR1、R1 與R2 為 限制電壓輸入范圍之可變電阻與電阻。接著將由(1)式計算介于0~3.3 V 之電壓信號送入AD210AN 隔離放大器中，使信號與電源隔離。后級以電阻R3、R4、電容器C1、C2 及運算放大器組成一個二階低通濾波器，用于濾 除系統因高頻切換所造成之高頻噪聲。由于TMS320F28335 之類比輸入分辨率為10 位，因此精確度可達3.3/210=3.23 mV。最后于ADC IN 兩端并聯一3.3V 二極管，確保送至DSP 之電壓介于0~3.3 V。

2.2 電流感測電路設計

同樣為監測各轉換器之輸出電流，本文以LA55P 閉環路霍爾效應電流感測器設計電流回授電 路如圖7 所示，用以即時回授各轉換器之輸出電流。LA55P 感測器之標準測量值為50 A，具有高測量精準度、良好之線性度與優異之抗干擾能力，透過M 腳位輸出電流至外部電阻即可得以一模擬電壓值表示之電流信號。在此電路中，將欲測量之電流穿過LA55P 之環路中，即可利用霍爾效應（Hall Effect）比例式輸出一最大為60 mA 之電流，經流通至電阻R3 后可得一電壓信號介于±4V 中，接著通過一非反向放大器，藉由調整VR1進行增益的調整后使模擬電壓介于為0~3.3 V，其計算公式如(2)所示。

圖7 電流回授電路圖

其中VADC iIN為DC/DC 轉換模塊輸出電流之濾波前回授信號、iM為LA55P 感測電流、VR1、R1 與R2 為用于調整電壓增益之可變電阻與電阻。

2.3 電壓電流感測電路接線規劃

本研究所設計之電壓電流整合感測電路則如圖8 所示，電壓感測電路共兩組，1 組監控總電壓Vo，另1 組監控電池電壓，并提供信息給UAVCU 以估算SOC。另一方面，電流感測電路共7 組，其中6 組用以監控6 部2KW直流/直流轉換器之輸出電流，另1 組用于監控電池輸出電流，以便由UAVCU 估算電池之SOC。所完成之實際電壓感測電路如圖10 所示，其中電壓感測量測比例為0~100V/0~1.8V；電流感測電路如圖9 所示，其中電流感測量測比例為0~50A/0~1.8V。

圖8 電壓電流感測電路接線規劃

圖9 電壓感測板實體圖

圖10 電流感測板實體圖

2.4 復合式動力無人機電能管理硬件設計

本文以TI DSP TMS320 F28335 實現無人機CU，其主要原因為此芯片最快運算速度可達到150 MHz，并具備豐富且數量眾多之GPIO、PWM、I2C SCI、SPI與CAN 等多種信號傳輸功能，其中引擎油門以及節風門控制采用PWM 訊號，電壓與電流值為模擬信號，另外為了避免類比/數位轉換腳位于測量數值時受到干擾，須將參考電位妥善接地。最后利用電源供應器以及示波器模擬信號源，確認DSP 是否能正常工作。

3 復合式動力無人機電能管理次系統與系統整合測試

在此階段結合上述所有部分進行系統軟硬件整合，并將DSP 作為無人機CU 在實驗平臺上進行穩態、瞬態測試性能測試如圖11 所示。系統整合測試總共分為三部分，其中第一部分因為控制引擎之節氣門開度及阻風門開關，本文使用MBL-850 伺服馬達，要控制其伺服馬達必須給予PWM 信號，首先需要測試TMS320F28335 所輸出之PWM 值，必須讓伺服馬達能夠順利打開節氣門；另一組則是能將阻風門達到全開或全關。在此階段要注意避免伺服馬達超過其極限范圍，以防馬達過載過熱而出現異常。第二部分是將TMS320F28335接上各感測元件，并且利用電子負載機模擬無人機在空中所會面臨的狀況，進行變動負載抽載模擬，如在輕載、中載及重載時引擎節氣門所反映的結果進行觀察及校正。第三部分為最終測試階段，將TMS320F28335 及感測元件安裝于無人機并進行試飛，并且收集各項數據進行后續之改善。

圖11 無人機系統與次系統整合測試

4 結論

目前商用無人機多用于攝影及拍照所用，續航力較短，且受限于大小以及成本考察，一般商用無人機技術皆使用鋰電池作為其主要能量來源，少有使用兩種能源系統進行復合動力。本文主要目標為建立一具引擎發電機與鋰電池復合電力之無人機系統，借以提升續航力，并解決單一電池成本過高之問題。而為了能充分發揮兩種電力源特性及達到最高效率，本文發展規則庫與模糊控制策略進行電力輸出比控制，并且分配兩種電力源作動時機。控制程序以Matlab/Simulink 程式之圖像構架開發，利用DSP 作為無人機CU接收前端各種感測信號進行判斷，并下達控制指令。為了避免無人機因動力不足而于高空墜落，在驗證動力源方面進行多樣且謹慎的測試，從最初之程序模擬測試、HIL 測試、DSP 硬件測試、動力計測試及最后的無人機上機測試，最后并收集各項信息以持續進行后續改善及修正。