刘国建 薛博水
云南电网有限责任公司昆明供电局 云南昆明 650000
摘要：当地面主供电系统出现故障时，切换到备用电源供电，暂时维持无人机的动力。如果地面主电源恢复正常，还要再重新切换回地面主电源供电。基于此，本文就对系留无人机不间断供电技术应用有关内容展开分析，希望能够提供一定的参考价值。
关键词：系留无人机；电源切换；场效应管
1本文提出的不间断供电技术
本文提出的不间断供电技术使用集成度较高的集成电路（IC），外部需要很少的元器件，不仅能实现最多三路的电源切换，且功能强大。三路输入电源有不同的硬件优先级，优先级高的电源将优先被使用。只有当高优先级的电源无效时，才会选取次优先级的电源作为供电。如果高优先级的电源恢复，则芯片又会切换回高优先级电源供电。把主电源作为高优先级电源，而备份电源作为次优先级电源，这样便满足了系留无人机供电切换的逻辑要求。电源的供电电流限制完全由外接的场效应晶体管决定，选择大电流、低内阻的场效应管便可以实现大功率供电。每一路电源输入都有可编程的过压和欠压阈值，欠压阈值非常有用，可以在主电源失效之前就进行切换，而不是等到完全失效再执行切换。由于切换时机的判断和切换操作的执行都是硬件处理的，所以切换速度会非常快速，使电源近似于无间断的切换。
2系统设计的研究
2.1系留无人机电源框架系分析
留无人机电源的主要框架可以分为地面高压电源、导线、导线收放装置、机载变压装置以及备份电源和电源切换装置。地面高压电源接入市电220V交流，输出350V高压直流，通过导线输送到无人机的机载变压装置上，经过变压装置降压到适合无人机的电压值。导线收放装置根据无人机的动作收放导线长度。系留无人机的飞行高度一般不低于100m，有的甚至更高，导线的长度和高度是一致的。因为导线很长，所以导线的质量也占据了很大负载比重。为了减小导线质量，通常导线的直径不会太大，这就限制了通过导线的电流。通过升压到350V直流，在相同的功率下可以降低电流。无人机相对于地面端的高度是变化的，在无人机上升阶段，导线收放装置要根据无人机的上升速度确定导线的释放速度。同样，在下降阶段，收放装置要根据下降速度确定导线的收回速度。另外要考虑因为气流或其他原因导致的无人机位置变动，所以在导线收放装置内，还必须引入导线的拉力测量。拉力测量的原理是当导线上的拉力大于某个值时，自动释放导线，降低导线上的拉力；当导线上的拉力小于某个值时，自动收回导线。引入拉力测量机制后，导线的收放变得更加灵活有效。
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2.2无间断电源切换方案
电源切换芯片采用LinearTechnology的LTC4417，金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）采用大电流、低内阻场效应管，为增加电流、降低内阻，还可以多个金属-氧化物-半导体管（MOS）并联使用。图1中，MOS管的型号可根据供电系统的功耗选择合适的参数，但是必须使用介孔硅基有机-无机杂化材料（PMOS）。多路输入电源最大值可以达到36V，满足大部分无人机的供电要求。通过电阻可以设置欠压阈值（UV）和过压阈值（OV）。设置的原理是输入电源电压经过3个电阻分压，分压获得的2个值分别接入UV和OV引脚，与内部的1V基准电压进行比较。如果OV的电压值大于1V，则认为超过过压阈值。如果UV的电压值小于1V，则认为低于欠压阈值。所以分压电阻一旦选定，输入电压值必须在一定范围内才认为是有效的。三路输入电源是否有效，可通过各自的状态输出VALIDn引脚获得。
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3实验与仿真分析
图2表示的是从主电源切换到备用电源的过程。主电源连接到高优先级的输入端V1，备用电源连接到次优先级的输入端V2。当主电源发生故障，电压降低，芯片检测到主电源电压降到欠压阈值以下，则认为主电源失效，切换到备用电源。该方案的一个优点就是，不用等到主电源降到一个很低的值，而是只要低于欠压阈值，就可以执行切换操作了，这样不仅减少了切换的时间，更减少了切换瞬间的电压波动，能使电源相对平稳地过度。图3表示的是主电源恢复正常，电源由备用电源V2切换回主电源V1。前一时刻是备份电源V2供电，后一时刻主电源恢复供电。主电源恢复供电的一小段时间内有可能不稳定，会有较为剧烈的波动，如果将无人机的供电直接切换到主电源，可能会对飞控等电子设备造成干扰。但从图中可以看出，电源切换发生在主电源稳定后再延迟的一段时间。这是因为电源切换IC具有滤波功能。只有当主电源处在欠压阈值和过压阈值这个窗口内超过256ms，切换才会被执行。
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图4表明了电源切换的瞬间所用的时间。可见，切换所用的时间非常短暂，基本在微秒级别，对飞控系统不会造成影响。
4结语
综上，本文提出的无间断电源切换方案，满足了系留无人机双电源供电控制要求，电路简单，元器件数量较少。实验表明，切换速度快，切换稳定。
参考文献
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