系留气球智能配电技术研究

何敬宇 刘征威

摘要：分析了系留气球传统配电方式的不足和智能配电技术的优点，研究了系留气球典型负载的控制逻辑和保护特性，并在此基础上开展了系留气球智能配电系统的软、硬件设计。

关键词：智能配电;总线;固态功率控制（SSPC）;I²T保护

中图分类号：V273文献标识码：A   文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

0引言

系留气球配电系统通常采用遥控式集中配电模式，采用熔断器或断路器对线路进行保护，采用继电器或接触器对线路通断进行控制，这种配电模式技术简单，在中小型系留气球中广泛应用。随着系留气球的发展，电子设备数量和复杂度增加，所搭载的任务载荷越来越多样化且用电功率越来越大，遥控式集中配电模式的各种弊端显现出来：电网重量过大;配电线路及电气负载控制繁杂、笨重;配电中心至远端的低压配电线路损耗大;可靠性低、容错能力差、可测试性差、自动化程度低。

智能配电技术是一种基于总线和固态功率控制的新型配电技术，通过总线将计算机的指令传输到配电单元，通过固态功率控制电路对各负载进行管理并实时检测各负载通道的工作状态和参数，从而实现对系留气球电能的自动分配、管理、监控及保护。

在系留气球上采用智能配电技术同集中配电模式比较具有以下优点：（1）固态器件的开关次数可达数亿次，解决了风机类负载高频开关的要求，提高了配电系统寿命;（2）省去了繁杂的负载控制线路，简化配电系统、降低重量和减少体积;（3）对全系统负载进行综合管理与调度，提高了配电系统的可靠性;（4）提供更加可靠和更加精确的保护功能;（5）消除了继电器等器件动作时产生火花和电弧的问题，提高了系统电磁兼容性。

本文依据系留气球典型负载控制逻辑和保护特性从软、硬件两个方面对系统气球智能配电系统进行研究和设计。

1系留气球典型负载控制逻辑及保护特性

系留气球典型的用电负载主要包括风机类、阀门类、航电类、灯光类及其他类负载。风机类负载主要包括系留气球上所使用的大、小风机，均为电机类负载;阀门类负载主要包括空气阀、氦气阀和电磁阀等，均为电机类或感性负载;电子类负载主要包括计算机、各类型传感器、光端机、导航设备、空管设备等，均为小功率电子类负载;灯光类负载主要是防撞灯和闪光灯，为脉冲负载。

（1）风机类负载。风机类负载控制逻辑相对简单，直接采用SSPC控制负载通、断电。考虑到风机启动特性，负载通道必须能够承受风机启动冲击，其保护特性根据风机的工作特性曲线进行保护特性设计。

（2）阀门类负载。阀门类负载主要包含空气阀、氦气阀、电磁阀等，空气阀和氦气阀根据控制逻辑主要可分为Ⅰ型阀门、Ⅱ型阀门，其控制逻辑如图1、图2所示。

（3）电子类负载。电子类设备额定电流均较小，控制逻辑也很简单，只需进行通断电控制。

（4）灯光类负载。灯光类设备主要是防撞灯和闪光灯，控制逻辑也相对简单，但负载通道额定电流应考虑其脉冲工作情况下最大电流。

2系留气球智能配电系统设计

根据前文分析，针对系留气球典型负载开展系留气球智能配电系统设计。

2.1系统硬件设计

智能配电系统主要由母板、CPU板、SSPC板和电源板部件组成。其中母板为其他各个板卡提供结构支撑和电气连接;CPU板为核心控制部件，通过总线接收上位机的控制指令，下发给各SSPC通道并将SSPC通道的状态信息反馈给上位机，实现产品的BIT功能等;SSPC板部件接收CPU板部件指令，控制相应SSPC功率回路的通断，检测SSPC通道的状态信息并反馈至CPU板部件，实现过流保护和短路保护等;电源板部件经过滤波稳压等为正常工作提供电源。智能配电系统原理框图如图3所示。

根据系留气球各典型负载的用电需求，SSPC板为多路不同额定电流规格的SSPC模块的集合，SSPC模块的硬件主要分为6部分，包括：DC-DC转换电路、微控制器电路、AD采集电路、总线通讯电路、驱动电路、功率回路电路等。其原理框图见图4。

如图5所示，采用高精度电阻实现电流采样并通过软件进行校准，电流采样精度常温下不低于5%。电流和电压信号采样电路采用反向比例放大电路结构，分别将电流采样电阻上的电压和MOSFET到功率地之间的电压调理到微控制器能够采集的0～3.3V电压范围内。

MOSFET驱动电路将微控制器发出的0/3.3V控制信號通过专用驱动芯片转换为0/9V的MOSFET驱动电平。驱动芯片瞬态输出电流可达2A，能够可靠驱动多个并联的MOSFET。

配电系统内部采用CAN总线通讯，主要功能是SSPC板卡与CPU板进行信息交换并通过光偶实现数字信号隔离。配电系统与外部上位机通过Rs-422接口完成通讯。

对于Ⅰ、Ⅱ型阀门类复杂控制逻辑负载，采用多路SSPC实现其控制逻辑，以Ⅰ型阀门为例，如图6所示，采用4路SSPC实现Ⅰ型阀门的控制逻辑，其中SSPC1和SSPC2、SSPC3和SSPC4分为2组，通过软件设置控制逻辑，每组SSPC联动开通、关断，2组SSPC互补开、关并设置相应的死区，防止开通关断信号同时存在损坏设备。

2.2软件设计

智能配电系统软件主要包括主控软件和SSPC控制软件。

主控软件实现的功能主要有：系统BIT检测、接收上位机指令并下发至各SSPC模块，查询各SSPC通道的实时状态并上报、离散量信号采集和控制，以及日志和故障信息存储等功能。其软件流程如图7所示。

SSPC控制软件根据CPU板下发的通断指令控制SSPC通道的开通与关断，监测SSPC通道输出电压和负载电流，获取采样电压和采样电流值，对采样电流进行计算以实现规定曲线的I²T保护和短路保护，并记录跳闸时刻的SSPC通道状态信息。根据电流采样值、电压采样值进行阈值比较，将比较的SSPC状态信息上报至主控软件。其软件流程图如图8所示。

3结语

本文首先分析了系留气球传统配电方式的不足和智能配电技术在系留气球上应用的优点，选取了系留气球不同类型典型负载，对其控制逻辑和保护特性研究，并在此基础上开展了系留气球智能配电系统的软、硬件设计。

参考文献

[1]沈颂华.航空航天器供电系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[2]刘红奎.基于FPGA的固态功率控制器的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[3]阮立刚，王莉.一种新型直流固态功率控制器行为模型[J].航空学报，2012，33（1）：129-137.

收稿日期：2019-06-26

作者简介：何敬宇（1970—），男，汉族，北京人，硕士，高级工程师，研究方向：航空电气系统设计。