無人機自主配電管理技術研究

蔣林伸

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川 成都 610092）

先進無人機正朝著多電、全電方向發展，電子設備越來越多，任務系統越來越復雜。自主配電系統成為未來無人機發展的關鍵。實現不間斷供電和容錯等級，提高供電系統的靈活性、維護性和可靠性，已是現代無人機的必備技術。由于無人機系統大部分時間需要自主飛行和自主執行任務，自主配電自然成為其執行任務不可或缺的保證。

隨著總線和計算機技術的發展，配電系統的管理與控制技術由常規配電、遙控配電向自主配電發展。在自主配電系統中，自動控制方程按電氣負載管理要求控制各電子功率開關的接通或斷開，反映無人機系統飛行狀態、電氣系統狀態、電氣負載狀態等相關的物理量，均是自動控制程序的控制輸入條件。配電系統自動控制程序根據控制條件，實時解算控制指令，實現電氣負載通/斷控制。同時，無人機系統各飛行階段的供電需求也是控制條件之一。

因此，該文總體的研究思路如下：采用先進的1553B 通信總線，以電氣負載管理為中心，進行自主動態配電技術研究，為進一步進行現代無人機配電系統研究和產品工程化打下良好基礎。

1 系統結構

無人機自主配電系統主要包括配電中心、二次電源裝置、供電系統處理機、固態功率控制器和總線等。常規無人機電氣系統存在自主化水平低、重構能力差、無監測系統和拓展性差的問題，自主配電系統解決了無人機的電源品質問題，它能夠充分利用電源之間和蓄電池的備份關系，提供多余度的供電，并運用實時監測系統來監測系統的工作狀態，避免無人機在飛行過程中因供電問題造成的工作異常。在不同任務剖面下選擇不同配型，拓展性能較好。

某無人機配電系統由中央配電裝置、電氣負載控制中心1（ELCC1）、電氣負載控制中心2（ELCC2）和電氣負載控制中心3（ELCC3）組成。電氣負載控制中心1（ELCC1）給電氣負載1、負載2 和負載3 配電，電氣負載控制中心2（ELCC2）給負載4 和負載5 配電，電氣負載控制中心3（ELCC23）給負載6 和負載7 配電。系統交聯如圖1 所示。

圖1 自主配電系統結構圖

作為現代無人機分布式配電系統的重要組成部分，電氣負載管理中心（ELMC）負責電氣負載控制和管理，并與電源系統處理機進行實時通信，這就要求電氣負載管理中心不僅要具有高可靠性，還需要提高其測試性，以滿足故障預測和健康管理。某無人機配電系統電氣負載管理中心從中央匯流條獲取電能，控制電能向電氣負載輸出。自主配電系統電氣負載管理中心具備如下功能：1）負載管理。根據無人機電源系統處理機（PSP）的指令或者無人機發電系統的狀態及飛行階段，通過控制電子開關來實現負載的控制與管理。2）故障診斷。判斷無人機配電系統電氣負載及電氣負載管理中心的故障類型。3）實時通信。電氣負載管理中心通過無人機1553B總線，從無人機電源系統處理機接收控制指令，包括電子開關的接通/斷開、無人機當前飛行階段、發電機工作狀態以及電氣負載用電需求。同時將電氣負載管理中心的當前狀態數據送往無人機電源系統處理機。4）自檢測（BIT）。無人機電氣負載管理中心需要完成CPU、A/D 采集和1553B 通信等的自檢測，以提高無人機系統的測試性。5）保護功能。當無人機電氣負載出現短路故障時，能自動切除無人機電氣負載，保護無人機供電系統[1]。

2 自主配電控制策略

2.1 控制原理

無人機電氣負載管理優先級矩陣是自主配電系統的核心算法。無人機發電機數目、發電機容量、配電盒數量、飛行階段、電氣負載類型及其功率要求等參數可綜合界定各電氣負載的優先級。無人機自主配電系統電氣負載管理優先級主要體現在如下3 個方面[2]。

首先，負載類型。無人機自主配電系統電氣負載按重要性分為3 類，即飛行關鍵電氣負載、任務關鍵電氣負載和一般電氣負載。當無人機電氣系統正常時，飛行關鍵電氣負載、任務關鍵電氣負載和一般電氣負載都能正常供電；當無人機主電源系統出現故障時，先斷開一般電氣負載，盡量保證任務關鍵電氣負載的供電；當無人機主電源全部失效時，斷開一般電氣負載和任務關鍵電氣負載，應急電源保證飛行關鍵電氣負載供電。因此，任何情況下具有最高供電優先權的都是無人機飛行關鍵電氣負載，具有較高供電優先權的是任務關鍵電氣負載，優先權最低的是一般電氣負載。

其次，負載功率。無人機自主配電系統電氣負載功率按飛機飛行階段統計，按工作持續時間分類。飛行任務、飛機工作狀態和電源工作情況等因素決定了無人機上電氣負載的工作情況，因此對無人機電氣負載功率進行統計后，有3 種描述方式，即正常工作電氣負載功率圖、應急工作電氣負載功率圖和地面供電電氣負載功率圖。電源容量必須滿足不同飛行階段下電氣負載的功率要求。

再次，飛行階段。無人機飛行階段分為滑行、起飛爬升、巡航、任務1、任務2、任務3、著陸和應急返航等。各飛行階段用電負責類型不同，因此按飛行階段分為個8 個優先級（見表1），每個飛行階段對應一個優先級，不同的優先級對應不同的電氣功率。

表1 電氣負載管理優先級與飛行任務方式的關系

無人機自主配電系統各飛行階段對應不同的電氣負載，因此不同優先級也對應不同的電氣功率。當電源系統出現故障，電源容量不能滿足當前飛行階段所需的功率時，電氣負載自動管理程序會控制與當前飛行階段關系最小的電氣負載下電，按優先級自動控制負載功率小于當前電源系統的容量。

無人機自主配電系統電氣負載管理通過解算一個8×119階的控制矩陣來表達優先級和負載之間的關系，見表2，其中119 為整個飛機電氣系統中功率控制器的個數[3]。

表2 優先級矩陣

在該無人機自主配電系統矩陣中，用列表示電氣負載優先級，用行表示電氣負載對應的電子功率控制器。如果Kij=1，則表示第j個優先級中，第i個負載對應的電子開關應接通；如果Kij=0，則表示在第j個優先級中，第i個負載對應的電子開關應斷開。

2.2 控制模型

無人機自主配電系統電氣負載管理中心自動配電軟件可對無人機電氣負載進行控制與管理。在無人機的不同飛行階段，電氣負載管理中心求解相應的電氣負載控制指令，對電氣負載進行上/斷電控制。

在無人機電源系統供電正常的情況下，當無人機當前飛行階段電氣負載控制要求滿足時，該階段自主配電系統電氣負載上電工作。無人機自主配電系統電氣負載控制程序的解可以分為3 種類型，相應控制指令解由Z1、Z2、Z3表示。

I 類控制指令只與飛行任務有關，數學模型形式如公式（1）所示。

式中：R為某飛行階段電氣負載工作信號，R=1 表示信號有效，R=0 表示信號無效。

II 類控制指令不僅與飛行階段有關，還與狀態邏輯信號有關。數學模型形式如公式（2）所示。

式中：R的含義同I 類指令；Ai為狀態信號，Ai=1 表示信號有效。

III 類控制指令對應的電氣負載在各個飛行階段都需要工作，數學模型形式如公式（3）所示。

式中：Aj（1 ≤j≤K）為狀態信號，Aj=1 表示條件滿足。

電氣負載的控制指令與R無關。

無人機自主配電系統電氣負載的控制指令有效，表明該電氣負載需要在當前飛行階段工作。在應急情況下，如果無人機電源系統容量無法滿足當前飛行階段電氣負載的功率需要，則電氣負載管理中心需要自主控制部分電氣負載下電；如果電氣負載本身出現故障，則負載自動隔離下電。因此，通用電氣負載控制數學模型如公式（4）所示。

式中：A為電氣負載的狀態參數，A=1 表示電氣負載故障；B=1表示該電氣負載為備份狀態，B=0 表示該電氣負載為主工作狀態；P為優先級，P=1 表示允許上電；Z對應Z1、Z2和Z3，Z=1 有效；S為強制激勵信號，S=1 表示信號有效，S=0 表示信號無效。K=1 表示可以控制電子開關接通。

3 電氣負載管理中心硬件設計

現代先進無人機面臨的飛行環境較復雜，因此對無人機自主配電系統電氣負載管理中心控制電路的原理和環境適應性提出了較高要求。在無人機自主配電系統電氣負載管理中心硬件電路設計過程中，并在滿足自主配電控制策略實現的前提下，既要考慮電子電路可適應較寬溫度環境的適應性，還要考慮面臨的大溫差沖擊；既要考慮面對高空低溫環境，還要考慮適應高空低氣壓環境；既要靠自身的電磁輻射對機載其他設備的影響，還要考慮適應復雜電磁環境的能力。

某無人機自主配電系統電氣管理中心的控制電路主要由電源變換單元、自主控制單元、光耦隔離電路、總線電路、隔離驅動電路、信號處理單元、電流采樣單元、電壓采樣單元以及功率器件等組成。該文根據某電氣負載管理中心的功能要求，對其控制電路進行了設計，電氣負載管理中心功能框圖如圖2 所示。

圖2 電氣負載管理中心功能框圖

電氣負載管理中心電源變換單元主要是將機載28V 輸入電源轉換為電氣負載管理中心內部+5V 工作電源。研究表明，電子設備的失效模式60%以上是由供電電源引起的，因此在電氣負載管理中心的電源變換單元中采用雙電源冗余供電方式，任何一路電源工作，均能保證系統控制電路的供電需求。

電氣負載管理中心自主控制單元采用JDSPF28335為主控芯片。JDSPF28335 是針對要求嚴格的控制應用的高度集成、高性能的解決方案。其采用高性能靜態COMS 技術，主頻高達150MHz，具備32 位浮點處理單元，6 個DMA 通道支持ADC、McBSP 和EMIP，還有多達18 路的PWM 輸出等。

電氣負載管理中心信號處理單元主要用于對電流采集單元輸出的電流信號進行判斷與處理。當達到短路電流的閾值時，輸出快速短路信號，通過功率器件快速斷開配電輸出通道。

電氣負載管理中心選用MOSFET（功率場效應管）管作為各路配電輸出通道的功率器件，具體型號為XNM350N075T6。

光耦隔離電路檢測外部的離散信號，對于離散量（地/開）信號，輸入低電平0～2V；對于離散量（28V/開）信號，輸入高電平DC28～32V。

電氣負載管理中心總線電路的總線模塊采用1553B 接口板。該接口板將輸入、輸出信號隔離，并集成內部瞬態抑制管和ESD 保護，可降低系統通過總線對其他系統的干擾。

電氣負載管理中心隔離驅動電路的核心是隔離驅動模塊。專用的隔離驅動模塊的核心為平面變壓器隔離技術，包括低通濾波電路、施密特觸發門限電路、振蕩電路、平面變壓器、阻抗匹配電路和整流倍壓電路。與傳統的驅動電路相比，平面變壓器隔離驅動模塊具有工作可靠性高、開關速度快、質量輕、壽命長以及集成度高等特點。

電氣負載管理中心電流采樣單元采樣霍爾電流檢測器件，其工作原理是基于磁場的檢測方法，通過電-磁-電轉換環節將負載電流線性轉換為電壓信號。該檢測方式具有良好的隔離和較低的功率損耗等優點，但它的的缺點是線性和溫度特性不理想。

電氣負載管理中心電壓采用單元采用隔離檢測模塊進行模擬量電壓檢測，通過調整電阻分壓比來實現不同輸入的電壓檢測功能。檢測信號進行濾波后送至DSP 的AD 檢測模塊進行檢測，DSP 自帶12 位的ADC 模塊，可以滿足0.5%的檢測精度要求。

該電氣負載管理中心控制電路應用于某無人機，經過沿海、高原、高寒、中雨、雪以及高空低氣壓等惡劣環境飛行驗證后，系統功能、性能均正常。

4 結語

無人機自主配電系統是無人機系統的一個重要組成部分，可根據飛機系統完好程度、發電機狀態及飛行階段，自動管理、控制電氣負載，具有容錯能力強、可靠性高、維修性好、體積與質量小等優點。該文通過自主配電系統的研究，提出了一種電氣負載自主管理方法，建立了電氣負載自主控制模型策略和電氣負載管理中心控制電路，該技術通過了無人飛行驗證。無人機自主配電技術的突破對推動無人機智能化具有重大意義和實際應用價值。