蔣林伸

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610092）

先進(jìn)無人機(jī)正朝著多電、全電方向發(fā)展，電子設(shè)備越來越多，任務(wù)系統(tǒng)越來越復(fù)雜。自主配電系統(tǒng)成為未來無人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)不間斷供電和容錯(cuò)等級(jí)，提高供電系統(tǒng)的靈活性、維護(hù)性和可靠性，已是現(xiàn)代無人機(jī)的必備技術(shù)。由于無人機(jī)系統(tǒng)大部分時(shí)間需要自主飛行和自主執(zhí)行任務(wù)，自主配電自然成為其執(zhí)行任務(wù)不可或缺的保證。

隨著總線和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，配電系統(tǒng)的管理與控制技術(shù)由常規(guī)配電、遙控配電向自主配電發(fā)展。在自主配電系統(tǒng)中，自動(dòng)控制方程按電氣負(fù)載管理要求控制各電子功率開關(guān)的接通或斷開，反映無人機(jī)系統(tǒng)飛行狀態(tài)、電氣系統(tǒng)狀態(tài)、電氣負(fù)載狀態(tài)等相關(guān)的物理量，均是自動(dòng)控制程序的控制輸入條件。配電系統(tǒng)自動(dòng)控制程序根據(jù)控制條件，實(shí)時(shí)解算控制指令，實(shí)現(xiàn)電氣負(fù)載通/斷控制。同時(shí)，無人機(jī)系統(tǒng)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(jìn)的1553B 通信總線，以電氣負(fù)載管理為中心，進(jìn)行自主動(dòng)態(tài)配電技術(shù)研究，為進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)代無人機(jī)配電系統(tǒng)研究和產(chǎn)品工程化打下良好基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無人機(jī)自主配電系統(tǒng)主要包括配電中心、二次電源裝置、供電系統(tǒng)處理機(jī)、固態(tài)功率控制器和總線等。常規(guī)無人機(jī)電氣系統(tǒng)存在自主化水平低、重構(gòu)能力差、無監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和拓展性差的問題，自主配電系統(tǒng)解決了無人機(jī)的電源品質(zhì)問題，它能夠充分利用電源之間和蓄電池的備份關(guān)系，提供多余度的供電，并運(yùn)用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，避免無人機(jī)在飛行過程中因供電問題造成的工作異常。在不同任務(wù)剖面下選擇不同配型，拓展性能較好。

某無人機(jī)配電系統(tǒng)由中央配電裝置、電氣負(fù)載控制中心1（ELCC1）、電氣負(fù)載控制中心2（ELCC2）和電氣負(fù)載控制中心3（ELCC3）組成。電氣負(fù)載控制中心1（ELCC1）給電氣負(fù)載1、負(fù)載2 和負(fù)載3 配電，電氣負(fù)載控制中心2（ELCC2）給負(fù)載4 和負(fù)載5 配電，電氣負(fù)載控制中心3（ELCC23）給負(fù)載6 和負(fù)載7 配電。系統(tǒng)交聯(lián)如圖1 所示。

圖1 自主配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

作為現(xiàn)代無人機(jī)分布式配電系統(tǒng)的重要組成部分，電氣負(fù)載管理中心（ELMC）負(fù)責(zé)電氣負(fù)載控制和管理，并與電源系統(tǒng)處理機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，這就要求電氣負(fù)載管理中心不僅要具有高可靠性，還需要提高其測(cè)試性，以滿足故障預(yù)測(cè)和健康管理。某無人機(jī)配電系統(tǒng)電氣負(fù)載管理中心從中央?yún)R流條獲取電能，控制電能向電氣負(fù)載輸出。自主配電系統(tǒng)電氣負(fù)載管理中心具備如下功能：1）負(fù)載管理。根據(jù)無人機(jī)電源系統(tǒng)處理機(jī)（PSP）的指令或者無人機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)及飛行階段，通過控制電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)負(fù)載的控制與管理。2）故障診斷。判斷無人機(jī)配電系統(tǒng)電氣負(fù)載及電氣負(fù)載管理中心的故障類型。3）實(shí)時(shí)通信。電氣負(fù)載管理中心通過無人機(jī)1553B總線，從無人機(jī)電源系統(tǒng)處理機(jī)接收控制指令，包括電子開關(guān)的接通/斷開、無人機(jī)當(dāng)前飛行階段、發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)以及電氣負(fù)載用電需求。同時(shí)將電氣負(fù)載管理中心的當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)送往無人機(jī)電源系統(tǒng)處理機(jī)。4）自檢測(cè)（BIT）。無人機(jī)電氣負(fù)載管理中心需要完成CPU、A/D 采集和1553B 通信等的自檢測(cè)，以提高無人機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試性。5）保護(hù)功能。當(dāng)無人機(jī)電氣負(fù)載出現(xiàn)短路故障時(shí)，能自動(dòng)切除無人機(jī)電氣負(fù)載，保護(hù)無人機(jī)供電系統(tǒng)[1]。

2 自主配電控制策略

2.1 控制原理

無人機(jī)電氣負(fù)載管理優(yōu)先級(jí)矩陣是自主配電系統(tǒng)的核心算法。無人機(jī)發(fā)電機(jī)數(shù)目、發(fā)電機(jī)容量、配電盒數(shù)量、飛行階段、電氣負(fù)載類型及其功率要求等參數(shù)可綜合界定各電氣負(fù)載的優(yōu)先級(jí)。無人機(jī)自主配電系統(tǒng)電氣負(fù)載管理優(yōu)先級(jí)主要體現(xiàn)在如下3 個(gè)方面[2]。

首先，負(fù)載類型。無人機(jī)自主配電系統(tǒng)電氣負(fù)載按重要性分為3 類，即飛行關(guān)鍵電氣負(fù)載、任務(wù)關(guān)鍵電氣負(fù)載和一般電氣負(fù)載。當(dāng)無人機(jī)電氣系統(tǒng)正常時(shí)，飛行關(guān)鍵電氣負(fù)載、任務(wù)關(guān)鍵電氣負(fù)載和一般電氣負(fù)載都能正常供電；當(dāng)無人機(jī)主電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，先斷開一般電氣負(fù)載，盡量保證任務(wù)關(guān)鍵電氣負(fù)載的供電；當(dāng)無人機(jī)主電源全部失效時(shí)，斷開一般電氣負(fù)載和任務(wù)關(guān)鍵電氣負(fù)載，應(yīng)急電源保證飛行關(guān)鍵電氣負(fù)載供電。因此，任何情況下具有最高供電優(yōu)先權(quán)的都是無人機(jī)飛行關(guān)鍵電氣負(fù)載，具有較高供電優(yōu)先權(quán)的是任務(wù)關(guān)鍵電氣負(fù)載，優(yōu)先權(quán)最低的是一般電氣負(fù)載。

其次，負(fù)載功率。無人機(jī)自主配電系統(tǒng)電氣負(fù)載功率按飛機(jī)飛行階段統(tǒng)計(jì)，按工作持續(xù)時(shí)間分類。飛行任務(wù)、飛機(jī)工作狀態(tài)和電源工作情況等因素決定了無人機(jī)上電氣負(fù)載的工作情況，因此對(duì)無人機(jī)電氣負(fù)載功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，有3 種描述方式，即正常工作電氣負(fù)載功率圖、應(yīng)急工作電氣負(fù)載功率圖和地面供電電氣負(fù)載功率圖。電源容量必須滿足不同飛行階段下電氣負(fù)載的功率要求。

再次，飛行階段。無人機(jī)飛行階段分為滑行、起飛爬升、巡航、任務(wù)1、任務(wù)2、任務(wù)3、著陸和應(yīng)急返航等。各飛行階段用電負(fù)責(zé)類型不同，因此按飛行階段分為個(gè)8 個(gè)優(yōu)先級(jí)（見表1），每個(gè)飛行階段對(duì)應(yīng)一個(gè)優(yōu)先級(jí)，不同的優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)不同的電氣功率。

表1 電氣負(fù)載管理優(yōu)先級(jí)與飛行任務(wù)方式的關(guān)系

無人機(jī)自主配電系統(tǒng)各飛行階段對(duì)應(yīng)不同的電氣負(fù)載，因此不同優(yōu)先級(jí)也對(duì)應(yīng)不同的電氣功率。當(dāng)電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障，電源容量不能滿足當(dāng)前飛行階段所需的功率時(shí)，電氣負(fù)載自動(dòng)管理程序會(huì)控制與當(dāng)前飛行階段關(guān)系最小的電氣負(fù)載下電，按優(yōu)先級(jí)自動(dòng)控制負(fù)載功率小于當(dāng)前電源系統(tǒng)的容量。

無人機(jī)自主配電系統(tǒng)電氣負(fù)載管理通過解算一個(gè)8×119階的控制矩陣來表達(dá)優(yōu)先級(jí)和負(fù)載之間的關(guān)系，見表2，其中119 為整個(gè)飛機(jī)電氣系統(tǒng)中功率控制器的個(gè)數(shù)[3]。

表2 優(yōu)先級(jí)矩陣

在該無人機(jī)自主配電系統(tǒng)矩陣中，用列表示電氣負(fù)載優(yōu)先級(jí)，用行表示電氣負(fù)載對(duì)應(yīng)的電子功率控制器。如果Kij=1，則表示第j個(gè)優(yōu)先級(jí)中，第i個(gè)負(fù)載對(duì)應(yīng)的電子開關(guān)應(yīng)接通；如果Kij=0，則表示在第j個(gè)優(yōu)先級(jí)中，第i個(gè)負(fù)載對(duì)應(yīng)的電子開關(guān)應(yīng)斷開。

2.2 控制模型

無人機(jī)自主配電系統(tǒng)電氣負(fù)載管理中心自動(dòng)配電軟件可對(duì)無人機(jī)電氣負(fù)載進(jìn)行控制與管理。在無人機(jī)的不同飛行階段，電氣負(fù)載管理中心求解相應(yīng)的電氣負(fù)載控制指令，對(duì)電氣負(fù)載進(jìn)行上/斷電控制。

在無人機(jī)電源系統(tǒng)供電正常的情況下，當(dāng)無人機(jī)當(dāng)前飛行階段電氣負(fù)載控制要求滿足時(shí)，該階段自主配電系統(tǒng)電氣負(fù)載上電工作。無人機(jī)自主配電系統(tǒng)電氣負(fù)載控制程序的解可以分為3 種類型，相應(yīng)控制指令解由Z1、Z2、Z3表示。

I 類控制指令只與飛行任務(wù)有關(guān)，數(shù)學(xué)模型形式如公式（1）所示。

式中：R為某飛行階段電氣負(fù)載工作信號(hào)，R=1 表示信號(hào)有效，R=0 表示信號(hào)無效。

II 類控制指令不僅與飛行階段有關(guān)，還與狀態(tài)邏輯信號(hào)有關(guān)。數(shù)學(xué)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(tài)信號(hào)，Ai=1 表示信號(hào)有效。

III 類控制指令對(duì)應(yīng)的電氣負(fù)載在各個(gè)飛行階段都需要工作，數(shù)學(xué)模型形式如公式（3）所示。

式中：Aj（1 ≤j≤K）為狀態(tài)信號(hào)，Aj=1 表示條件滿足。

電氣負(fù)載的控制指令與R無關(guān)。

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

式中：A為電氣負(fù)載的狀態(tài)參數(shù)，A=1 表示電氣負(fù)載故障；B=1表示該電氣負(fù)載為備份狀態(tài)，B=0 表示該電氣負(fù)載為主工作狀態(tài)；P為優(yōu)先級(jí)，P=1 表示允許上電；Z對(duì)應(yīng)Z1、Z2和Z3，Z=1 有效；S為強(qiáng)制激勵(lì)信號(hào)，S=1 表示信號(hào)有效，S=0 表示信號(hào)無效。K=1 表示可以控制電子開關(guān)接通。

3 電氣負(fù)載管理中心硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)代先進(jìn)無人機(jī)面臨的飛行環(huán)境較復(fù)雜，因此對(duì)無人機(jī)自主配電系統(tǒng)電氣負(fù)載管理中心控制電路的原理和環(huán)境適應(yīng)性提出了較高要求。在無人機(jī)自主配電系統(tǒng)電氣負(fù)載管理中心硬件電路設(shè)計(jì)過程中，并在滿足自主配電控制策略實(shí)現(xiàn)的前提下，既要考慮電子電路可適應(yīng)較寬溫度環(huán)境的適應(yīng)性，還要考慮面臨的大溫差沖擊；既要考慮面對(duì)高空低溫環(huán)境，還要考慮適應(yīng)高空低氣壓環(huán)境；既要靠自身的電磁輻射對(duì)機(jī)載其他設(shè)備的影響，還要考慮適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力。

某無人機(jī)自主配電系統(tǒng)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(qū)動(dòng)電路、信號(hào)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(jù)某電氣負(fù)載管理中心的功能要求，對(duì)其控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，電氣負(fù)載管理中心功能框圖如圖2 所示。

圖2 電氣負(fù)載管理中心功能框圖

電氣負(fù)載管理中心電源變換單元主要是將機(jī)載28V 輸入電源轉(zhuǎn)換為電氣負(fù)載管理中心內(nèi)部+5V 工作電源。研究表明，電子設(shè)備的失效模式60%以上是由供電電源引起的，因此在電氣負(fù)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(tǒng)控制電路的供電需求。

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

電氣負(fù)載管理中心信號(hào)處理單元主要用于對(duì)電流采集單元輸出的電流信號(hào)進(jìn)行判斷與處理。當(dāng)達(dá)到短路電流的閾值時(shí)，輸出快速短路信號(hào)，通過功率器件快速斷開配電輸出通道。

電氣負(fù)載管理中心選用MOSFET（功率場(chǎng)效應(yīng)管）管作為各路配電輸出通道的功率器件，具體型號(hào)為XNM350N075T6。

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

電氣負(fù)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(hào)隔離，并集成內(nèi)部瞬態(tài)抑制管和ESD 保護(hù)，可降低系統(tǒng)通過總線對(duì)其他系統(tǒng)的干擾。

電氣負(fù)載管理中心隔離驅(qū)動(dòng)電路的核心是隔離驅(qū)動(dòng)模塊。專用的隔離驅(qū)動(dòng)模塊的核心為平面變壓器隔離技術(shù)，包括低通濾波電路、施密特觸發(fā)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(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路相比，平面變壓器隔離驅(qū)動(dòng)模塊具有工作可靠性高、開關(guān)速度快、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)以及集成度高等特點(diǎn)。

電氣負(fù)載管理中心電流采樣單元采樣霍爾電流檢測(cè)器件，其工作原理是基于磁場(chǎng)的檢測(cè)方法，通過電-磁-電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)將負(fù)載電流線性轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。該檢測(cè)方式具有良好的隔離和較低的功率損耗等優(yōu)點(diǎn)，但它的的缺點(diǎn)是線性和溫度特性不理想。

電氣負(fù)載管理中心電壓采用單元采用隔離檢測(cè)模塊進(jìn)行模擬量電壓檢測(cè)，通過調(diào)整電阻分壓比來實(shí)現(xiàn)不同輸入的電壓檢測(cè)功能。檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波后送至DSP 的AD 檢測(cè)模塊進(jìn)行檢測(cè)，DSP 自帶12 位的ADC 模塊，可以滿足0.5%的檢測(cè)精度要求。

該電氣負(fù)載管理中心控制電路應(yīng)用于某無人機(jī)，經(jīng)過沿海、高原、高寒、中雨、雪以及高空低氣壓等惡劣環(huán)境飛行驗(yàn)證后，系統(tǒng)功能、性能均正常。

4 結(jié)語

無人機(jī)自主配電系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，可根據(jù)飛機(jī)系統(tǒng)完好程度、發(fā)電機(jī)狀態(tài)及飛行階段，自動(dòng)管理、控制電氣負(fù)載，具有容錯(cuò)能力強(qiáng)、可靠性高、維修性好、體積與質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)。該文通過自主配電系統(tǒng)的研究，提出了一種電氣負(fù)載自主管理方法，建立了電氣負(fù)載自主控制模型策略和電氣負(fù)載管理中心控制電路，該技術(shù)通過了無人飛行驗(yàn)證。無人機(jī)自主配電技術(shù)的突破對(duì)推動(dòng)無人機(jī)智能化具有重大意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。