民用无人机载荷电源适配技术研究

毛明祥

针对民用无人机供电电压体制单一，电源品质不高，无法满足低纹波和多种非标电压等多任务载荷供电要求，本文对民用无人机载荷电源适配技术研究，以适配各种任务载荷，使电源系统具备低纹波和多种非标电压任务载荷供电的能力。

目前，“鹞鹰”等工业级民用无人机主要应用于地理测绘、海事监测和森林防火等，尤其是地理测绘应用方面，已经完成贵州省安顺局部地区测绘任务。大多数这类民用无人机执行《飞机供电特性及对用电设备的要求》（GJB181）电源标准，要求电源系统脉动电压峰峰值不超过4V，导致无人机电源品质不满足大多数民用领域任务载荷的用电要求。在执行测绘飞行任务时，搭载的数码相机容易出现死机现象，导致任务失败。经过分析并确定，电源纹波过大是导致数码相机出现死机原因之一。

民用无人机电源特性

民用无人机机载主电源系统一般采用]台交流发电机，经过整流滤波调压之后，输出28V直流电作为飞机主电源，如图1所示。

某型民用无人机采用一台ROTAX914活塞发动机作为动力系统，同时也是机载交流发电机的原动机。该发动机最大转速达到6000r/min，属于低转速发动机，这就决定了机载交流发电机转速不会太高。经整流滤波调压之后，输出低频率的脉动直流电压。脉动电压峰峰值达到3V，满足标准GJB181不超过4V的要求；电压波动频率几十赫兹到几百赫兹之间。某型无人机电源电压纹波主要成份实测值如表1所示。

用于地理测绘的数码相机、红外摄像机、高光谱＼高精度定位定姿系统（POS）和微小型合成孔径雷达（ miniSAR）等典型的民用任务载荷，要求供电电压有12VDC、9VDC和5VDC不等，电压纹波要求不大于供电电压的1%。一般的无人机电源特性难以满足现有民用任务载荷的用电需求。

载荷电源系统设计

针对任务载荷用电需求与飞机电源系统不匹配问题，采用有源电力滤波器技术对飞机电源进行滤波，达到任务载荷纹波要求；针对采用非标准电压（如12VDC、9VDC、5VDC等）的任务载荷，对飞机电源进行DC-DC变换，以适配该类任务载荷用电需求。

载荷电源构成

载荷电源由有源电力滤波器、不同电压等级变换模块、PWM信号发生器和驱动模块组成。

有源电力滤波器对飞机电源进行滤波，提高电源品质；不同电压等级变换模块将有源电力滤波器输出电压进行DC-DC变换输出，输出电压可调，以适应不同种类非标用电设备，提升飞机电源系统适应能力；PWM信号发生器产生滤波器和电压变换模块所需的控制信号，并送给驱动电路，由驱动电路驱动滤波器和电压变换模块内部功率开关器件，如图1所示。

有源电力滤波器

民用无人机电源电压纹波主要是低频电压纹波，若能滤除其低频纹波分量，将能显著提高电源品质。通常滤波技术有无源滤波器和有源滤波器两种，理论上讲均可以滤除某以特定频率的谐波。无源滤波器和有源滤波器区别在于，无源滤波器特性受系统参数影响比较大，只能消除特定的几次谐波，对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象，满足低频滤波所对应的元件体积偏大等；与无源滤波器相比，有源滤波器不仅能补偿各次谐波，滤波特性不受系统阻抗的影响，具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波。基于此，采用有源滤波器滤除飞机低频电压纹波。有源滤波器（Active Power Fliter，APF）是利用可控功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使总谐波电流为零，达到滤波效果。

DC-DC变换

数码相机、红外摄像机、高光谱、高精度POS和miniSAR等任务载荷要求供电电压为12VDC、9VDC和5VDC不等，供电电压均为非标电压，且小于电源电压。采用DC-DC降压变换电路来满足不同任务载荷用电需求。

基本的降压电路（Boost电路）如下：

输出电压U_o=Du_s，其中D为控制信号S的占空比，选择合适的占空比可以得到期望的输出电压；控制信号S的控制策略与APF电路控制信号S2类似，均采用电压环和电流环同时控制产生。

仿真实验

基于Matlab的simlink模块搭建仿真模型，对载荷电源进行仿真实验。

无人机电源模型采用受控电压源产生，纹波成份包含表1中实测的纹波参数：3V/100Hz、2.2V/56kHz、1.2V/27kHz、0.37V/2.5kHz以及高斯白噪声等。

有源电力滤波器APF电路参数选择：滤波电感L取5uH，储能电容C取470uF，输出电容Co取470uF，滤波目标：输出纹波为1%，容量为290W。

DC-DC变换电路参数选择：滤波电感L取1.2uH，输出电容Co取940uF，滤波目标：输出纹波为1%，容量为12V/250W、9V/135W和4V/45W。

以上滤波目标参数是根据无人机在实际装载的任务载荷确定的。

电路仿真见图5，运行该电路后输出电压与输入电压纹波对比见表2，仿真波形见图6。

从仿真得出的数据看，输出电压为29V、12V、9V和5V的电压纹波大约为1%，与电源电压的纹波10.3%相比，大大提高载荷电源品质，达到设计预期目标。

结束语

本文针对民用无人机电源系统存在电压体制单一且电源品质不高、无法满足多任务载荷供电要求这一问题，提出采用有源电力滤波器和DC-DC电压變换等载荷电源适配解决方案。通过仿真验证，该方案可以有效解决电压体制单一和电源品质不高等问题，使民用无人机电源系统具备低纹波和多种非标电压任务载荷供电的能力。