無人機機載發電機故障診斷技術研究

陳亮 袁大天

【摘?要】在本研究中針對無人機電源系統進行模型構建仿真分析，，在分析機載電源系統原理和結構的前提下，結合實際數據參數，根據系統模型進一步建立數學模型，完成仿真分析。

【關鍵詞】無人機;機載發電機;故障診斷技術

前言

直升機上用電設備使用了大量的集成元器件，它們對機載電源的供電質量提出了很高的要求，即使是正常的電源轉換，如果不采取必要的措施，也會對機載用電設備的工作產生影響。在傳統的直升機供電系統中，由于工作轉換導致短暫的電源供電中斷現象是不可避免的，這種短暫的供電中斷（時間不超過50ms）對過去模擬式的電氣電子設備的工作可能影響不大，但隨著航空技術的飛速發展，現代數字式的電子電氣設備的正常工作必然會產生很大的干擾，甚至會改變原有的工作狀態。因此，直升機電源系統的轉換供電技術對保證飛機的供電裕度、可靠性和安全性而言，就顯得非常重要。

1機載電源系統

某型無人直升機電源系統主要由外電源系統、蓄電池系統、發電機系統組成，為全機用電設備提供28V直流電和12V直流電兩種供電體制。28V直流電用于機載任務設備用電，由一臺交流發電機通過電源變換器整流輸出28V直流電源，應急情況供電由一臺24V蓄電池組和12V/22V電源模塊共同輸出24V直流電源，地面供電通過外電源接口由機外電源輸入24V直流電源。12V直流電用于動力控制系統用電。由發動機自帶的交流發電機通過變壓整流后輸出12V直流電源，應急情況供電由一臺12V蓄電池組輸出12V直流電源，地面供電通過外電源接口由機外電源輸入12V直流電源。

1.1外電源系統

外電源插座安裝在機頭右側，在直升機處于地面狀態下通過外電源插座由機外電源為全機提供獨立的28V直流電和12V直流電，外電源系統優先于發電機系統供電。

1.2蓄電池系統

蓄電池系統由一臺24V蓄電池組和一臺12V蓄電池組組成，每臺蓄電池都集成了智能管理系統，能夠根據內部單體電芯的電壓、電流和溫度信息來實現蓄電池的充放電管理和保護。蓄電池系統為應急供電系統，只有當直升機發電機系統故障或未滿足發電要求時，為PP1匯流條和PP2匯流條提供直流應急電源。

1.3發電機系統

發電機系統由28V發電系統和12V發電系統組成。28V發電系統由無人直升機交流發電機和電源變換器構成，交流發電機額定容量為2100VA，電源變換器實現發電系統的電壓調節、故障保護及通訊功能。12V發電系統由無人直升機動力裝置自帶的交流磁電機和變壓整流器構成，交流磁電機的額定容量為250VA，經變壓整流器整流后給PP1匯流條供電。當前無人機使用電源系統包括發電機以及控制器，A類關鍵設備系統是無人機氣載主要平臺，在設計實驗中需要完成發電機全面檢測，這對于原發電機早期故障剔除，定位來說起著十分重要的作用。近年來故障診斷是比較重要的研究方向，在研究理論過程中可以使用神經網絡，人工魚群優化算法，小波分析等多種方法。本研究中深入分析機載無人機發電機系統，所以針對其故障模式，原因，采用神經網絡算法的方式實現對該系統的故障診斷。

2故障特征體系和其仿真效果分析

首先從無人機電源故障系統模式上來看，電源系統主要涉及機械、電氣這兩種類型的故障，結合電源本身的結構設計來看，航空電器故障主要為轉子繞組短路，勵磁系統故障，以及定子繞阻絕緣故障，機械故障，主要涉及軸承故障，根據無人機實際飛行條件、經驗來看，參考國家故障標準診斷，可對故障危害進行準確分析，構建故障模式影響分析表。在上述分析過程中，我們發現按照故障特點和持續時間，可以在整個無人機飛行過程中，機載電氣系統存在三種故障類型，即脈沖、突發以及漸變故障類型，在本研究中著重對突發故障這種類型進行分析，具有較強的容錯性。由于表征對象狀態參數量較大，因此，在龐大的數據中應當找出特征信息并完成特征量的提取，只有這樣才能夠準確進行故障診斷和對象性能檢測分析，采用的方法為主要成分分析法，該方法可對象征討，在特征向量提取和數據壓縮中起著重要作用。其中在規范處理時為確保每個數據能夠處于某一屬性范圍內，采用最大最小規范處理的方式，即能夠完成初始數據線性變化，假定最大值和最小值分別變量，通過下列公式：

x'=（new_new_new_min）+min=

可以將x值映射到區間中，計算相應的主成分向量，進而按照屬性排序。在電源系統仿真時，為確保故障診斷算法能夠準確驗證，可以以機載電源作為研究對象，綜合分析電源運行情況，在計算機軟件中完成建模，發電機、蓄電池、控制器的仿真分析，可對整個機載電源進行仿真分析，掌握其特性。采用idealswitch模塊實現電路開路，能夠與勵磁電路相接，實現時間控制短路故障發生時刻和持續時間，以此來模擬勵磁回路故障問題。我們可以發現是系統的啟動過程，在0.2秒之前系統能夠達到穩定運行狀態，確保電壓實現28伏特穩定運行，電流能夠穩定在53安培的范圍內，在0.2秒時系統出現故障，此時主電源的電流、電壓分別降低為0，出現故障主要表現為主電源電壓、電流迅速降低，逐漸為零，當該系統獲取特征信息之后，我們可以發現該故障主要為勵磁繞阻故障，相比無人機飛行數據來看，進一步驗證了該數據的準確性，表明這種電源仿真模型具有一定的合理性，能夠在該模型的前提下添加故障模式并獲得相應的故障信息，這對于構建特征數據庫是具有重要意義的。構建故障特征庫，實際上故障特征庫是系統故障診斷預測的重要內容，可用于儲存專家知識庫和實際故障特征數據，這種特征庫是否完善將決定最終系統的故障診斷能力和效率，結合發電機故障類型和實際運行過程中獲得的參數檢測情況，我們可以發現將直流電壓28伏特，直流電流28安培作為故障特征向量診斷信號，主要由于電流、電壓信號反應目前系統的故障運行狀態，并且利用電流電源監測傳感器且由于其放置條件較為便利，可用以獲取真實的測量效果，由于在測量時需要借助直流發電機、三相電壓，因此在實際監測時難度是比較大的，最終我們沒有將其納入故障特征庫中。

結束語

為保證機載電子設備的可靠工作，需盡量縮短甚至消除供電模式轉換過程中的供電中斷時間，本文所介紹的機載電源系統利用蓄電池作為緩沖，能夠實現不中斷供電，從而保證了機載用電設備的正常工作。

參考文獻：

[1]李紅，楊善水.無人機交流發電系統故障診斷技術[J].南京航空航天大學學報，2009，41（b12）：15-18.

[2]舒暢.無人機傳感器故障診斷方法研究[D].成都：電子科技大學，2017.

（作者單位：中國飛行試驗研究院）