大功率電動有纜多旋翼飛行器抗電磁干擾技術

蔣文皓，江 和，肖蓉青，孫梓萌，駱 穎

（中國直升機設計研究所，景德鎮　333001）

本文有纜多旋翼飛行器方案采用地面供電裝置提供的800V直流電與機體電性連接，機載電源轉換模塊為非動力功能模塊分配電能模式。與現有多旋翼無人飛行器搭接電池的方案相比，有纜多旋翼在飛行器電動機和其他設備可承受范圍內，幾乎可以無限延長飛行時間。

高壓電源的設計方案使得有纜多旋翼飛行器需相對較小的電流，地面供電裝置與飛行器間連接電纜的直徑可減小，因此飛行器懸掛電纜單位長度重量減輕，從而減輕飛行器重量。但是，高壓電的設備之間電磁干擾也是難題[1]。

有纜多旋翼飛行器內部高壓設備與低壓設備構成的復雜電氣環境是影響飛行試驗的最主要因素，在試驗過程中需采用最合理的抗電磁干擾手段使飛行器長時間，穩定飛行。

1　系統原理及故障問題

1.1　系統原理

圖1　有纜多旋翼飛行器動力系統

如圖1所示，全機輸入電壓為800V通過電源變換器和輔助電源盒將輸入電壓分別轉化為300V、30V和12V。其中800V為電機運轉動力電源，30V為電調控制電源，12V為任務設備工作電源。

有纜多旋翼飛行器全機約50kg，由六個電動旋翼通過轉速變化提供升力，在轉速2300rpm時飛機獲得離地升力，額定轉速為3400rpm。

1.2　故障描述

經過地面全機運轉試驗發現，在高轉速（≥2000rpm）及高頻率調速（≥200rpm/s）運行狀態下，頻繁發生電機報故停轉現象。測控站檢測到的故障信息有驅動故障、電源低壓故障、驅動過熱故障三種，針對系統設備檢測后未發現實際故障現象。

1.3　故障分析

對比試驗在相同高轉速及高頻率調速狀態下，有纜多旋翼飛行器單臺電調、電機地面臺架試驗運轉良好無故障的試驗結果?？沙醪酵茢酁橛欣|多旋翼飛行器運轉時系統間電磁干擾引起的故障現象。

2　電磁干擾故障分析

任何電磁兼容問題都包含三個要素：即干擾源、敏感源和耦合路徑。這三個要素任中缺少任何一個，電磁兼容問題都不會存在[2]。

2.1　干擾源

有纜多旋翼單套電機、電調運轉時對應的轉速、電流、電壓、拉力如表1所示。因此分析本由表1數據可知，轉速變化過程中電壓基本不變，電流隨轉速變化呈指數級增長。由的突然變化會產生輻射現象，導致電磁干擾[3]。

表1　電機轉速、拉力、電流、電壓關系

圖2　電機運轉轉速/電流關系圖

由圖2可觀察出：

轉速變化過程中電壓基本不變，電流隨轉速變化呈指數級增長，由于dI/dt的突然變化會產生輻射現象，導致電磁干擾。

2.2　敏感源

由于有纜多旋翼系統中包含：800V的動力電路系統，30V控制電路系統，12V的任務設備系統。

因為有纜多旋翼系統在全機運轉時，旋翼轉速變化引起的電流變化，帶來的電磁干擾。因此可能的敏感源主要是30V電調控制電路控制系統和12V的任務設備系統。

2.3　耦合路徑

歐姆定律定律指出：電流流過電阻時，就要在電阻上產生電壓。因此地線電流流過地線時，會在公共地線上產生電壓。在整個多旋翼系統中將機殼作為所有電路的公共地，地線上的電流成分很多，電壓很雜亂，因此地線噪聲電壓產生。

地線的設計作為機體參考點的等電位，而實際的地線上的各點電位并不相同，這樣全機電氣系統就不能正常工作。這就是地線造成系統電磁干擾的實質。在多旋翼系統中頻率相對較低的電流，地線電流路徑比較容易確定。對于頻率較高的地線電流路徑往往比較復雜，電流失去控制后會產生故障很難定位[4]。

3　試驗故障解決方案

3.1　干擾源的抑制措施

3.1.1800V、300V、30V電纜線作電磁屏蔽處理。（1）機上800V電源輸入線端用金屬屏蔽層隔離；

（2）300V轉換電源盒殼體接機殼，輸入、輸出線端用金屬屏蔽層隔離。轉換電源盒與輔助電源盒間連接電纜采用機體外走線路徑并金屬屏蔽層隔離。

3.1.2動力電纜、反饋電纜做電磁屏蔽處理并相互分離：

（1）整根反饋電纜和兩端屏蔽線用金屬屏蔽層隔離。

（2）動力線纜插頭用金屬屏蔽層和絕緣膠皮層隔離。

（3）動力線纜從旋翼支臂管內走線連接，反饋電纜從支臂外部連接，利用封閉金屬支臂管達到電磁隔離效果。

3.2　耦合路徑問題解決方案

試驗過程中采取正負400V相對電壓的輸入方式。如果將輸入端負極分支不接機殼，則機體表面產生約330V直流感應電壓和約70V交流電壓，使得有纜多旋翼在運轉過程中始終處于高壓帶電的危險狀態；如果輸入端負極分支接機殼，有纜多旋翼器飛行時，系統易受到電磁干擾，故障頻發。

綜上所述，最終通過試驗采取的可靠解決方案為：

（1）發電機與地面電源之間通過干式隔離變壓器連接，地面電源采取0～800V絕對電壓輸入，并使輸入的負極分接機殼。

（2）電調內部電路斷開與電調外殼連接。

（3）斷開輔助電源盒內部電路與外殼的連接。

（4）使用即在蓄電池直連輔助電源盒，不再使用300V電源變換器功能。

4　測試驗證

圖3　多旋翼有纜飛行器長時間運轉與高頻調速圖

通過采取上述手段，如圖3所示，多旋翼有纜飛行器分別在在高轉速（≥2000rpm）連續運轉100min和高頻調速（≥200rpm/s）模式下運行10min，運行狀態良好，不再出現停機故障。

5　結束語

對于大功率有纜多旋翼飛行器系統中，高壓設備與低壓設備的接地處理尤其重要，不同頻率、不同電壓的設備應分開接地處理。防止地線噪聲電壓在不同設備之間相互串擾，引起一些無法準確分析原因的故障問題產生，對系統抗干擾能力起到很重要的作用。

[1]劉莉，王曉軍.電磁兼容設計中的地線干擾與抑制[J].現代電子技術，2005.

[2]李艷春，生一華.電磁兼容接地和抑制干擾研究[J].山西電力，2009.

[3]王連坡.電子設備電磁兼容性設計[J].艦船電子工程，2011.

[4]呂林強.電磁兼容的接地技術[J].煤炭技術，2009.