机载升降机构电控防浪涌模块设计

张文博，王惠林，李涛，赵志草，柯诗剑

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

在无人机[1]巡航阶段，光电任务设备被机载升降机构降至预定位置，实现其作战功能；在起飞、降落阶段，升降机构将光电设备升至无人机舱段内的安全位置，保证机体空气动力学特性及任务设备的安全性[2]。

随着无人机技术的发展和各类任务要求的提高，对升降机构在机载任务设备中的可靠性、稳定性、安全性要求更高[3-4]。在使用备用电源进行任务测试过程中，由于无人机系统的供电电路和接口电路电源特性在升降机构设计中[5-8]考虑欠缺，导致浪涌电流超限，无人机备用电源出现过流保护，无人机上其他任务设备无法正常工作，因此，在升降机构电控部分加入防浪涌模块尤为重要。

文中通过对实际工程中启动或浪涌电流超限导致无人机备用电源过流保护进而引起的实际问题进行分析，结合目前浪涌电流的通用测试方法和机载产品对设备启动或浪涌电流使用的改进措施，提出适用于无人机载升降机构的防浪涌参考电路，并验证其实用性[9-11]。

1 浪涌概述

浪涌是一种突发性电流脉冲或瞬态电压，是指电源接通瞬间，可能是因电源瞬间开断、市电不稳、电路内部参数变化而导致流入电源设备的峰值电流或电压，此类电流或电压的脉冲宽度甚至可以达到纳秒级[12-16]。微秒级内高频冲击电压或冲击电流具有一定危害性，严重时会造成设备不可逆的损坏。

在控制器设计过程中，电容对供电电源起滤波作用，但在通电瞬间，电容瞬时充电会形成浪涌电流；而另一类浪涌电流则源于感性负载，小阻值导致启动瞬间出现大电流[16]。在电源接通瞬间，电容迅速充电，微观上相当于瞬时短路，产生尖峰电流；而感性负载电机在通电时相当于导线，微观上亦相当于瞬时短路[17]，产生的实际瞬态电流可能是额定电流的几倍甚至几十倍[18]，可能损害供电系统，影响其他电子设备正常运行，降低了系统的可靠性。设备等效供电示意图如图1所示。

图1 设备等效供电示意图

2 防浪涌电路设计

为解决上述问题，避免不必要的损失及事故的发生，对升降机构供电系统进行了分析[19]，供电示意图如图2所示。

图2 升降机构供电示意图

该系统供电结构与图1所示供电结构图匹配性较高，说明升降机构中产生了浪涌电流，即感性负载电机在通电瞬间带来的瞬间过大电流。感性负载电机具有阻抗小的特点，接通时浪涌电流较高，最大接通浪涌电流为：

其中，Umax为电机两端供电电压峰值，RM为电机内阻。通常RM较小，因此IP很大，当IP大到一定程度时，便会引起供电电源保护。出现浪涌电流时，干扰将会影响其他相邻用电设备，就升降机构控制器本身而言，性能会随着反复、多频次大电流冲击而逐步恶化，因此限制浪涌电流显得非常必要[20]。

针对前述问题，设计了浪涌电流抑制模块，如图3所示。

图3 浪涌电流抑制电路

当浪涌抑制模块+Vin、-Vin通电时，浪涌电流经电阻RL至输出端+、-；R3、R5采集输出电压，将分压信号发送至电压基准U1；当电路输出端+、-两端达到一定电压时，经R3、R5得到的分压信号使U1导通，从而使光电耦合器U2导通，当U2导通时，+Vin端电压经U2-B、R1、R2得到的分压信号发送至MOS管Q1、Q2栅极使其导通。MOS管栅源极之间接有电容C1，R1、R2的分压信号使C1开始充电，MOS管栅源电压VGS会缓慢上升，控制MOS管Q1、Q2线性导通，使供电回路中电流缓慢增大，从而减小浪涌电流。在前端供电回路中增加该浪涌电流抑制模块，可以有效抑制升降机构开机瞬间产生的浪涌电流。

3 实验与结果分析

3.1 实验设备

3.1.1 供电电源

系统采用直流稳压电源，该电源需具有过流、过压保护功能，输入电压为标准交流220 V，输出电压设定值为直流28 V，限电流为50 A。

3.1.2 电源开关

由于开关时间长短对浪涌电流幅值测试有重大影响，所以采用专用供电电源内部磁保持继电器形式的开关，进行电子输出控制。电源开关的测量位置应尽可能反映或模拟真实升降机构供电情况。

3.1.3 电流卡钳

采用高精度交流或直流钳形表，可进行电流的电平输出、波形输出和频率的模拟输出，最高可测电流为2 000 A，具备峰值保持功能，直流电流基本精度为±1.3%rdg。

3.1.4 示波器

采用数字示波器进行测试，要求示波器带宽不低于500 MHz。

3.2 结果分析

设定直流稳压电源输入电压为28 V；将负载环境尽量设置为与系统被测设备加电时相同的工作环境；示波器电压、电流测试点位置选取在浪涌电路前端、直流供电点后端；在供电回路正线端安装电流卡钳探头，将示波器触发模式设置为上升沿触发，根据实际情况设定脉冲高度、触发电平及触发脉冲宽度；抓取升降机构通电瞬间浪涌电流波形，得到的最大值作为浪涌电流的幅值。实验环境如图4所示。

图4 实验环境

根据实际需要，对升降机构原始状态进行浪涌电流测定，对增加浪涌抑制模块的升降机构进行浪涌电流测定，如图5所示。

图5 实测浪涌电流情况

从图5中可以看出增加浪涌抑制模块前，设置示波器刻度为500 mV一格，设置电流卡钳为每100 mV对应1 A，实测浪涌电流值为24 A。增加浪涌抑制模块后，设置示波器刻度为200 mV一格，设置电流卡钳为每100 mV对应1 A，实测浪涌电流值为6.1 A。

4 结 论

文中通过对目前机载升降机构浪涌电流抑制问题分析，设计了浪涌电流抑制电路，并通过实验验证具有良好的抑制效果，能够有效防止容性和感性设备产生的浪涌电流对升降机构乃至无人机供电系统的危害，提高了无人机系统供电电路的可靠性、安全性。通过实验说明了浪涌电流抑制电路的重要性和有效性，该浪涌电流抑制模块具备扩展同类产品的意义。