无人机先进配电技术应用研究

毛明祥

大多数无人机配电系统采用常规配电技术，常规配电控制装置采用诸如继电器、接触器、断路器、限流器等机电式配电装置，此类配电装置控制导线众多，电网重量大，在开关转换瞬间易产生电弧，长时间使用影响寿命，故障保护后，需要人工进行故障诊断，故障定位时间较长。常规配电系统的固有缺点已经无法满足未来无人机集成化、自动化、智能化发展需求。本文就电气负载管理中心以及固态功率控制器等无人机先进配电技术应用进行初步探讨。

无人机供电系统是现代无人机的一个重要组成部分，其作用是向无人机上的所有用电设备提供满足规定技术性能的电能，保证用电设备的正常工作。供电系统按照功能又可分为电源系统和配电系统两大部分。电源系统由主电源、二次电源、应急电源和辅助电源等组成；配电系统由导线、配电装置和保护装置等组成，用于将电源产生的电能输送到各用电设备。目前，应用最广泛是常规配电系统。

常规配电系统是将配电功率线全部引入配电中心的汇流条，二级配电中心或电气负载从汇流条获得电能，控制装置采用诸如继电器、接触器、断路器、限流器等机电式配电装置。机电式配电装置的采用，必然存在控制导线众多，电网重量大；继电器和接触器为机械开关，在开关转换瞬间易产生电弧，影响使用寿命，可靠性降低；断路器和限流器等保护装置，对后端进行故障保护后，需要人工进行故障诊断，故障定位时间较长。未来无人机将往集成化、自动化、智能化方向发展，常规配电系统的固有缺点，已经无法满足未来无人机发展需求，基于此本文就电气负载管理中心以及固态功率控制器（Solid-StatePower Controller，SSPC）等无人机先进配电技术应用进行初步探讨。

电气负载管理中心工作原理及组成

电气负载管理中心是通过微处理单元将具有智能化、网络功能的电器模块有机的组合起来，针对系统发出的指令进行各种逻辑切换功能，以实现控制参数的数据采集、过载保护、数据集成及故障记录功能的一种新型应用技术。其由微处理器（DSP）、存储单元、固态功率控制器组成。系统框图

电气负载管理中心通过双余度RS-422总线与上位机进行通信，由微处理器接收上位机控制指令，经由内部CAN总线与相应的固态功率控制器进行通信，同时监测固态功率控制器的工作状态，实时反馈给上位机；固态功率控制器接收控制指令并相应控制接通或断开负载，实现对用电设备的接通与分断控制。

关键负载采用双余度供电设计，电气负载管理中心对双余度供电线路进行实时监测和管理，保证飞机飞行安全。固态功率控制器

固态功率控制器是电气负载管理中心的关键部件，用电设备的通断控制、过流保护、电压电流监控及过流保护点设置等功能均由其实现。单个固态功率控制器的电路框图如图2所示：

（1）用电设备的接通/断开控制

固态功率控制器通过CAN总线接收来自微处理器的控制指令，經其内部逻辑部件运算分析，产生电驱动信号，驱动电力金氧半场效晶体管（MOSFET）的接通与关断，实现对用电设备的接通与关断控制。

（2）用电设备电压电流实时监控

固态功率控制器对供电线路的电压电流进行实时采样，经A/D转换后，送逻辑单元进行处理并将其结果反馈给电气负载管理中心，由电气负载管理中心报送上位机，实现主控系统对用电设备电压电流的实时监控。

（3）过流保护点设置

固态功率控制器可以通过软件进行过流保护点设置，在最大允许过载电流值之内，过载电流值可根据实际需要写入其内部逻辑单元，便于满足不同用设备要求。

（4）过流保护

固态功率控制器将实时监控的电流值与预先设置的过载电流值进行逻辑比较，若大于过载电流值，则视为负载电流过载或短路，控制断开电力金氧半场效晶体管，保护用电安全，并将该状态信息反馈电气负载管理中心。

方案设计

现有在研无人机电气系统配电网络均采用辐射式供电布置，即所有功率线全部引入配中心的汇流条，二次配电中心或电气负载从汇流条获得电能。控制装置采用接触器、继电器、断路器等机电式装置。在多路传输配电系统中，采用了分布式汇流条和负载自动化管理技术，用电设备就近与配电汇流条相连，由计算机通过多路传输数据总线对电气负载进行控制和管理。

分布式配电网络

由于电气负载分布于飞机各个角落，在用电设备比较集中的舱位配置电气负载管理中心，同一飞机上可配置多个电气负载管理中心，用电设备就近与配电汇流条相连。电气负载管理中心通过系统总线与上位机相连，接收上位机控制指令，管理控制各路用电设备，并将各路用电设备状态信息反馈上位机。各电气负载管理中心分别与28V电源系统相连。分布式配电网络框图如图3所示。

与传统配电方式相比，由于采用基于总线管理的多路配电传输技术，且控制组件安装在离负载较近的区域，减少线缆和连接器的使用，从而大大减轻电网重量，提高配电可靠性和自动化程度。

电气负载供电线路连接设计

飞机电气负载按其重要性分为关键负载和普通负载两大类。

关键负载是指为保证飞机飞行安全所必需的用电设备，就无人机而言，如飞控系统、导航系统和测控系统等。为保证关键负载供电安全，采用两路或多路供电，形成多余度供电设计，单个固态功率控制器失效不会导致用电设备断电。普通负载是指除了关键负载之外的用电设备，供电线路采用单线连接即可。电路连接如图4所示。

传统控制装置采用继电器、接触器、保险丝等机械式开关。与传统控制装置相比，采用固态功率控制器控制用电设备有以下优点：

（1）固态功率控制器的工作特点是无触点的按通断开负载，其内部没有活动部件，无机械磨损，开通关断时不会产生电弧，故障率低，可靠性高。

（2）固态功率控制器实时监测用电设备的电压电流，并通过电气负载管理中心反馈给上位机；因此上位机可以实时监测每一路负载的电压和电流，若负载发生过流或短路故障，则上位机可以快速找出故障点。

（3）根据用电设备的实际需要，固态功率控制器可以通过软件进行过流保护点设置，当用电设备电流超过预先设定值时，固态功率控制器立即跳闸，保护用电设备和线路。由于具有跳闸功能，则可以减少线路中保险丝的使用。

先进配电技术应用效能分析

以lOOOkg级左右无人机为例，目前国内的该级别无人机包括“鹞鹰”无人机、“翼龙”无人机和“彩虹”-4无人机等。这些无人机配电系统几乎都采用常规配电，采用电气负载管理中心以及固态功率控制器后，系统性能得到很大的提升，效能分析见表1。

结束语

本文就电气负载管理中心在无人机中的应用进行了初步探讨，通过与传统配电网络相比较，由于采用基于计算机化的总线管理及电力金氧半场效晶体管管的无触点开关，大大优化电网设计，设计理念超前，技术上具有一定的前瞻性，能满足未来无人机集成化、自动化、智能化发展需求，是未来无人飞机电气配电网络的发展方向。