民用無人機載荷電源適配技術研究

毛明祥

針對民用無人機供電電壓體制單一，電源品質不高，無法滿足低紋波和多種非標電壓等多任務載荷供電要求，本文對民用無人機載荷電源適配技術研究，以適配各種任務載荷，使電源系統具備低紋波和多種非標電壓任務載荷供電的能力。

目前，“鷂鷹”等工業級民用無人機主要應用于地理測繪、海事監測和森林防火等，尤其是地理測繪應用方面，已經完成貴州省安順局部地區測繪任務。大多數這類民用無人機執行《飛機供電特性及對用電設備的要求》（GJB181）電源標準，要求電源系統脈動電壓峰峰值不超過4V，導致無人機電源品質不滿足大多數民用領域任務載荷的用電要求。在執行測繪飛行任務時，搭載的數碼相機容易出現死機現象，導致任務失敗。經過分析并確定，電源紋波過大是導致數碼相機出現死機原因之一。

民用無人機電源特性

民用無人機機載主電源系統一般采用]臺交流發電機，經過整流濾波調壓之后，輸出28V直流電作為飛機主電源，如圖1所示。

某型民用無人機采用一臺ROTAX914活塞發動機作為動力系統，同時也是機載交流發電機的原動機。該發動機最大轉速達到6000r/min，屬于低轉速發動機，這就決定了機載交流發電機轉速不會太高。經整流濾波調壓之后，輸出低頻率的脈動直流電壓。脈動電壓峰峰值達到3V，滿足標準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。

用于地理測繪的數碼相機、紅外攝像機、高光譜＼高精度定位定姿系統（POS）和微小型合成孔徑雷達（ miniSAR）等典型的民用任務載荷，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%。一般的無人機電源特性難以滿足現有民用任務載荷的用電需求。

載荷電源系統設計

針對任務載荷用電需求與飛機電源系統不匹配問題，采用有源電力濾波器技術對飛機電源進行濾波，達到任務載荷紋波要求；針對采用非標準電壓（如12VDC、9VDC、5VDC等）的任務載荷，對飛機電源進行DC-DC變換，以適配該類任務載荷用電需求。

載荷電源構成

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

有源電力濾波器對飛機電源進行濾波，提高電源品質；不同電壓等級變換模塊將有源電力濾波器輸出電壓進行DC-DC變換輸出，輸出電壓可調，以適應不同種類非標用電設備，提升飛機電源系統適應能力；PWM信號發生器產生濾波器和電壓變換模塊所需的控制信號，并送給驅動電路，由驅動電路驅動濾波器和電壓變換模塊內部功率開關器件，如圖1所示。

有源電力濾波器

民用無人機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。通常濾波技術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別在于，無源濾波器特性受系統參數影響比較大，只能消除特定的幾次諧波，對某些次諧波會產生放大作用，甚至諧振現象，滿足低頻濾波所對應的元件體積偏大等；與無源濾波器相比，有源濾波器不僅能補償各次諧波，濾波特性不受系統阻抗的影響，具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化的諧波。基于此，采用有源濾波器濾除飛機低頻電壓紋波。有源濾波器（Active Power Fliter，APF）是利用可控功率半導體器件向電網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，達到濾波效果。

DC-DC變換

數碼相機、紅外攝像機、高光譜、高精度POS和miniSAR等任務載荷要求供電電壓為12VDC、9VDC和5VDC不等，供電電壓均為非標電壓，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，均采用電壓環和電流環同時控制產生。

仿真實驗

基于Matlab的simlink模塊搭建仿真模型，對載荷電源進行仿真實驗。

無人機電源模型采用受控電壓源產生，紋波成份包含表1中實測的紋波參數：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：輸出紋波為1%，容量為290W。

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

以上濾波目標參數是根據無人機在實際裝載的任務載荷確定的。

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。

從仿真得出的數據看，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，達到設計預期目標。

結束語

本文針對民用無人機電源系統存在電壓體制單一且電源品質不高、無法滿足多任務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不高等問題，使民用無人機電源系統具備低紋波和多種非標電壓任務載荷供電的能力。