无人机地面控制站应急电源逆变控制系统设计

罗佳伟，王保成，孙玉琳

（空军勤务学院航空四站系，江苏徐州221000）

无人机地面控制站应急电源逆变控制系统设计

罗佳伟，王保成，孙玉琳

（空军勤务学院航空四站系，江苏徐州221000）

为了给地面控制站提供安全可靠的应急电源，文章主要根据由DSP数字技术+脉宽调制SPWM驱动+IG⁃BT+隔离滤波为一体化设计发展起来的一个新型UPS电源系统，并对逆变控制系统进行了硬件和软件设计。通过对控制系统的仿真验证，得出所需的稳定的三相交流电，说明该电源逆变控制系统可以为无人机地面控制站提供安全可靠的应急电源。

逆变控制；系统设计；应急电源；无人机；地面控制站

随着一体化防空系统和反空袭手段的不断发展，无人机将逐步承担部分甚至大部分防空压制和空中打击任务，将成为空中作战的一个主体力量。无人机的指挥控制、遥感分析、信息处理都由地面控制站指挥人员控制，无人机地面控制站包括任务站、起降站、视距站、引导站、卫通站和情报站等[1-2]。一旦地面控制站供电系统发生故障，无人机就会处于失控状态，将会造成无法估量的严重后果。

为充分保障无人机的飞行安全，本文在新型UPS电源系统的基础上，对其逆变控制系统进行设计[3]，以保障无人机的正常飞行。

1 地面应急电源逆变控制系统总体设计

1.1 硬件总体设计

为了满足无人机地面控制站应急电源三相逆变控制系统的设计要求，控制系统主要采用DSP（TMS320LF2812A）作为核心处理器。整个系统主要围绕该处理器进行设计，其I/O口主要是对信号的控制，A/D口主要是信号的检测，其余的接口主要是IGBT驱动信号的生成以及通信和显示。系统主要包括如下几个模块：逆变模块、控制模块、采样模块以及显示报警模块[4]。逆变控制系统给地面控制站供电主要有2个方式：当市电正常时，市电直接通过继电器开关给地面控制站供电；当市电异常或产生故障时，通过切换成逆变电源给地面控制站供电[5]；这两个方式主要依靠控制继电器开关进行切换。逆变控制系统的总体结构框图如图1所示。

在市电供电正常的情况下，DSP将K1闭合，K2断开，直接通过旁路给负载供电。同时采集市电和蓄电池的电压、电流，通过相关参数判断状态是否正常，并根据蓄电池状态的不同用不同的充电方式充电。当市电检测电路检测到电压异常或频率不稳定等故障时，DSP迅速切换K1断开，切换K2闭合；用蓄电池逆变电路为负载供电，这个切换时间在1～5 ms内左右。DSP通过矢量变化和PID调节器生成SPWM波形，其矢量变化主要是电压空间矢量的合成，从而达到脉宽调制的目的[6-7]，然后通过IGBT放大电路对SPWM波形进行无失真放大，通过控制SPWM波形的占空比来控制IGBT的开断，此时通过A/D口检测逆变输出电压和电流；逆变输出的电压流过工频变压器，输出的电压后经工频滤波电容进行滤波，得到了高品质的380 V三相正弦电压。当DSP通过市电检测模块检测到市电电压和电流正常时，控制端控制切换开关，逆变系统断开，重新恢复到市电为负载供电。

1.2 软件总体设计

逆变控制系统软件设计可分为单片机软件设计和DSP软件设计。DSP软件系统主要完成PID控制和SPWM程序，电压和电流参数的检测，状态转换以及与单片机SCI通信；单片机软件系统完成采样参数的数字化显示、按键的接收处理以及故障报警；逆变控制系统软件总体设计图如图2所示[8]。

逆变系统DSP软件设计中主循环程序包括系统的状态扫描和逆变系统切换的信号启动；充电控制程序负责蓄电池的充电；状态采样程序主要负责实时采集各项参数；故障处理程序负责逆变系统的故障处理，当逆变系统出现故障时，立即停止逆变；逆变控制程序负责调用逆变程序来启动逆变系统，用逆变电源给负载供电；串口通信程序负责DSP主控模块与MCU液晶显示模块之间信息的传递和显示。

单片机软件设计主要完成SCI通信程序与液晶显示程序，SCI通信程序负责连接DSP主控模块与MCU，液晶显示程序用于实时显示包括市电电压值、逆变输出电压值、蓄电池电压值与负载总功率值在内的工作状态和参数。

2 系统硬件模块设计

1）逆变系统主电路模块。逆变系统主电路由三相逆变桥、变压器、滤波单元3个部分组成。功率开关是逆变电路器件的核心，这里采用的是IGBT。IGBT具有阻抗高、速度快、电流容量大和容易控制的特点。VT1-VT6及6个反并联二极管组成的三相逆变桥构成双向SPWM变换器。在检测到市电掉电或任何一相电压低于187 V或高于242 V，则启动逆变程序，输出SPWM波控制IGBT的关断，从而对三相逆变桥进行控制，经过工频变压器和三相滤波器滤波后，输出高品质220 V的三相正弦交流电供给负载。逆变控制系统主电路图电路图如图3所示[9-10]。

2）系统主控模块。三相逆变电源控制系统主控模块主要功能是对SPWM输出、三相逆变电压、蓄电池充电电流、继电器开关切换的控制，以及各种状态参数的检测、人机界面的输入与显示、报警。为了节约DSP资源，采用STCl 2C5A60S2单片机对报警、显示电路的实现，通过SCI连接单片机与DSP的通信来提高系统的实时性和反应能力。

三相逆变控制电源系统将DSP2812的硬件资源充分利用起来，A/D采集口主要采集电压、电流等状态量，数字I/O口主要用于对开关和信号的控制，定时器主要产生10 kHz的载波，串口通信口实现实时监控功能。

3）电压采样模块。电压采样模块是利用霍尔传感器进行检测，检测后的电压接入射极跟随器，提高电路的输入阻抗；再经过电压偏移电路和钳位限幅电路环节，把电压采样值调到0～3.3 V输入给DSP的A/ D接口，避免由于A/D接口的输入电压过高使得DSP芯片烧坏，由于主控芯片DSP2812的A/D转换的ADC信号采样端口只接受0～3.3 V的单极性信号。相电压采样电路原理图如图4所示[11]。

4）电流采样模块。和电压采样模块相似，A/D转换的ADC信号采样端口不接受双极性信号，所以只能将双极性信号转换为单极性信号；这里采用霍尔电流传感器，首先将检测出的电流信号输入比较器的端口，将电流信号转换为电压信号，再经过射极跟随器、电压偏移电路和钳位限幅电路，保证输入A/D的电压信号在0～3.3 V以内。

电流采样电路原理图如图5所示[12]，霍尔电流传感器输出电流范围为（-100～+100 mA）。

5）系统辅助电源与IGBT驱动模块设计。在三相逆变电源控制系统中采用单端反激式电路拓扑结构，该结构简单高效，且能在小功率场合中应用，达到了系统辅助电源输出路数多，彼此间相互隔离的要求。

IGBT驱动电路不仅能够驱动逆变电路工作，又实现了主控模块和逆变模块之间的有效地隔离，电路如图6所示[13]。逆变控制系统采用IGBT作为功率开关器件，为满足应急电源逆变控制系统的要求，在转换供电电源时，转换时间必须要快，一般在1～5 ms左右，这就要求IGBT驱动电路输出电阻，快速建立驱动电压，才能满足转换的时间要求。另外，IGBT栅极和射极之间的开通电压一般在1.2～1.5 V左右，而且为避免开关损耗，在IGBT关断时须加上8 V的负驱动电压，同时防止误导通。因此，IGBT驱动电路模块的设计十分重要，它将直接影响逆变控制系统的稳定性和可靠性。所以在设计时应注意在导通瞬间，驱动电路要能提供足够大的驱动电流，使栅源极电压（VGs）能快速上升到所需值，并且保持电压的稳定，避免由于电压上升过快带来的脉冲高频振荡[14]；在关断时，驱动电路要提供尽可能低阻抗的通路，使IGBT开关管栅源极之间的电容电压快速的释放掉，保证IGBT开关管能快速关断[15]。

3 系统软件设计

考虑到逆变控制系统是实时性以及系统采样点中断次数较高，为提高程序较好的移植性和控制性，核心处理器DSP2812为C语言编写代码，其编写出的代码移植性强、更容易控制，并采用模块化编程[16]，DSP主控软件部分可以分成几大模块：主循环系统检测、蓄电池充电与逆变控制、故障处理控制、通讯功能。

DSP控制软件系统结构主要由主程序和SPWM中断服务子程序组成。

1）主程序。主程序主要是一个无限循环系统，含有逆变等多个子程序，并无限次的运行。系统主程序流程图如图7所示。

2）PID调节器控制和SPWM中断程序。PID调节器控制和SPWM中断程序是中断程序的最核心环节，其中PID为实现对被控对象的控制，为消除系统误差和系统振荡，采用PI控制算法[17-18]，其PI算法流程图如图8所示。SPWM中断服务子程序主要在主程序中断时才会被调用，其SPWM波形主要是PI算法调节后的值与比较寄存器的值进行比较得出的，SPWM中断服务子程序流程图如图9所示。

4 逆变控制系统仿真验证

根据逆变控制系统的主控电路，在Matlab/Simulink环境下进行系统的仿真验证，系统仿真结构模型如图10所示。

下面是系统在不同状态下的仿真波形及相关分析。首先对空载稳态状态下逆变系统进行仿真验证，如图11所示。得出三相输出电压仿真波形和某相电压谐波含量图，可以看出逆变器三相输出电压稳定，该相电压谐波含量为0.09%。

逆变器满载稳态时三相输出电压电流仿真波形和某相电压谐波含量图如图12所示，逆变器能保持良好的波形质量，该相电压谐波含量为0.2%，满足逆变器的设计要求。

为逆变系统接不平衡负载（A相满载，B、C相空载）时稳态输出电压仿真波形见图13，从仿真波形可以看出逆变器对三相不平衡负载引起的波形畸变有良好的调节作用，输出对称稳定的为三相正弦电压。

5 结语

本文主要以DSP（TMS320LF2812A）作为核心理器，对新型UPS应急电源逆变控制系统进行了设计。并通过Matlab/Simulink的仿真验证，在带空载、满载和不平衡负载的情况下，分别得到含谐波成分较少的稳定的三相交流电，可以在市电断电的情况下实现应急电源的转换，满足无人机保障对电源的要求。

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System Design of Emergency Power Inevrter Control for the UAV Ground Control Station

LUO Jiawei,WANG Baocheng,SUN Yulin
（Department of Aviation Four Stations,Air Force Logistics College,Xuzhou Jiangsu 221000,China）

To provide safe and reliable emergency power for the ground control station,in this paper,according to a new UPS power that added the DSP digital technology,SPWM,IGBT and isolate filter,designs of hardware and software were taken for inverter power control.Though the simulation of control system,the steady three phase alternating current was got,and it showed that the new UPS power system could provide the safe and reliable emergency power for the UAV ground control station.

inverter control;system design;emergency power;UAV;ground control station

TN86

A

1673-1522（2017）02-0220-07

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.02.008

2016-12-26；

2017-03-07

罗佳伟（1994-），男，硕士生。