楊 銘，趙 珊，張文濤，任 嘉，蔣 峰

（中南林業(yè)科技大學 計算機與信息工程學院，長沙 410004）

隨著無人機技術的日益發(fā)展，對用于農林植物保護作業(yè)的無人機工作狀態(tài)的要求越來越高，而目前無人機的實際工作情況是續(xù)航時間一般只有20～30 min，對此提出了利用太陽能和電池進行互補供電的新型無人機智能電源切換系統(tǒng)。

太陽能既是一次性能源，又是可再生的能源。它存量豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。太陽能作為一種全新的能源利用方式，在低碳經濟模式快速構建的過程中將起到越來越重要的作用[1]。目前，利用太陽能進行供電的地方很多，諸如太陽能發(fā)電并入電網、路燈供電等。由此，研究一種高效的、將太陽能運用在其他方面的方式變得更加可行，文中提出將太陽能作為與蓄電池形成互補供電的特殊供電裝置；針對無人機用電電路的實際需要，采用邏輯門電路和MCU相結合的思路設計，給出高效智能的自動切換供電系統(tǒng)的設計方案。

1 無人機供電系統(tǒng)工作原理分析

無人機系統(tǒng)通常由蓄電池、四軸或多軸上的電子調速器（簡稱“電調”）和電機、飛行狀態(tài)控制器（簡稱“飛控”）、電路分接板、GPS組成。文中以實際試驗所用四軸飛行器為例，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 四軸無人機系統(tǒng)框架Fig.1 Four axis UAV system framework

在該系統(tǒng)中，蓄電池一般使用3S電池，其輸出電壓為11.1 V；蓄電池外接在供電分接板上，使四軸上的4個電調與電機形成并聯(lián)，能夠分別得到等量的電壓以供給4個電機實現(xiàn)等速轉動，與此同時，從分接板上引出了給飛控供電的供電端口，使得飛控也能正常通電，產生飛行控制的作用，并由飛控帶動GPS工作，為四軸飛行器提供實際的定位需求。其次，大多數(shù)飛行器的控制端發(fā)射器也由蓄電池進行主要供電。

然而，目前市售的電池多為1800～3300 mA·h（本實驗室使用的2塊電池分別為1800 mA·h和2300 mA·h）。這些電池通過理論計算和實際試飛不難發(fā)現(xiàn)，其續(xù)航時間大約都在10～20 min，且無法在電池電量不足的情況下再對飛行器進行回收，并且這樣做會給電調造成不可修復的傷害。對此，提出了用于無人機系統(tǒng)的太陽能供電裝置，在光強充足的情況下，同時為蓄電池轉換多余的電能并進行儲備；在光照強度不夠太陽能供電的情況下，為無人機系統(tǒng)切換為蓄電池供電。根據(jù)該供電系統(tǒng)的工作過程，可以得出電能存在雙向轉換：太陽能電池板→無人機系統(tǒng)?蓄電池，為此需設計一個雙向的DC-DC變換的無人機供電系統(tǒng)。

由于太陽能電池板的輸出電壓為12～15 V，無人機電源需求電壓為11.1～12 V，蓄電池的輸出電壓為11.1 V。該太陽能供電裝置系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 太陽能提供電能給無人機供電系統(tǒng)原理Fig.2 Solar energy supply to UAV power supply system schematic

2 雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)的設計

根據(jù)該太陽能提供電給無人機供電系統(tǒng)的工作原理分析，要實現(xiàn)對無人機系統(tǒng)的供電控制，關鍵在于設計一個能夠進行智能切換的雙向DC-DC變換器。在此重點介紹雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)的設計實現(xiàn)過程。

2.1 系統(tǒng)的工作模式以及性能指標分析

如上所述，雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)不僅需將太陽能電池板的12～15 V輸出電壓對無人機系統(tǒng)進行供電，還需能將自身12～15 V電壓轉換為4.2～5 V給無人機的蓄電池供電，并自動監(jiān)測太陽能電池板的輸出電壓，智能切換蓄電池的工作狀態(tài)。因此，該供電控制系統(tǒng)具有恒流充電、升壓放電、自動切換3種工作模式。其充電電壓為5 V，考慮到無人機蓄電池的使用壽命，采用恒流充電，電流大小設定為2 A；降壓狀態(tài)下，其電壓需從12～15 V降到10.5～11.5 V進行供電。

2.2 系統(tǒng)的設計

該供電控制系統(tǒng)通常有隔離型和非隔離型2種設計方式。隔離型抗干擾能力強，體積較大，或同等體積下功率較小，通常用于高壓情況；非隔離型結構簡單，體積小，成本較低，輸出電壓調節(jié)范圍寬，適用于低壓供電場合。在此電壓為15 V，故選用非隔離型的拓撲設計方式。

考慮到研發(fā)周期、設計難度，擬選用集成的降壓、升壓穩(wěn)壓芯片通過外擴簡單的外圍電路，構建Boost/Buck型電路，實現(xiàn)雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)的設計。由于蓄電池充電時，該系統(tǒng)需要恒流，故設計中將降壓穩(wěn)壓電路的取樣反饋回路換成輸出電流取樣反饋，采用低端電阻取樣方式實現(xiàn)。

整個供電控制系統(tǒng)由雙向DC-DC變換器、測控電路組成。其中，雙向DC-DC變換器主回路包括恒流電路和升壓型穩(wěn)壓電路；測控電路包括電流取樣電路、過壓保護電路[6]、充放電模式自動切換電路以及顯示電路。雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)的組成結構如圖3所示。

圖3 雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)組成結構Fig.3 Structure of bidirectional DC-DC transform power supply control system

2.2.1 恒流充電模塊設計

由于該模塊工作在降壓充電的狀態(tài)，根據(jù)穩(wěn)壓的原理，考慮到電流穩(wěn)定精度以及轉換效率，選用降壓開關型集成穩(wěn)壓芯片LM2596實現(xiàn)。該芯片是電源管理單片集成電路，其最大輸入電壓為40 V，最大輸出電壓為37 V，最大能夠輸出3 A的電流，同時具有很好的線性和負載調節(jié)特性，適用于搭建本系統(tǒng)的恒流電路，設計中通過將電壓取樣換成電流取樣反饋到芯片反饋引腳實現(xiàn)恒流控制。其降壓恒流電路如圖4所示。

圖4 LM2596構成的恒流充電電路Fig.4 A constant current charging circuit made up of LM2596

電感線徑的選擇主要由系統(tǒng)的開關頻率確定。開關頻率越大，線徑越小，但是所允許經過的電流越小，并且開關損耗增大，效率降低。由于LM2596恒流電路中需要通過3 A內的電流，故電感采用0.7 mm漆包線進行繞制，磁芯采用鐵硅鋁黑色磁芯。對電感的計算需先計算電感電壓與微秒的乘積，即式中：Vsat為內部開關飽和電壓；VD為二極管正向壓降；Vin為輸入電壓；Vout取輸出電壓的中間值。根據(jù)電路的設計要求，將數(shù)據(jù)代入式（1），當最大電流為3 A時，確定的電感為33 μH。

為提高電路轉換的效率，該模塊要求所選二極管的開關速度快，正向壓降低，且能保護電路，設計中選用吸納二極管。吸納二極管是一種快速恢復二極管，在此用以為電感電流（當開關管閉合時）提供通路，故所選吸納二極管的最大電流承載值至少為最大負載電流的1.3倍?？紤]到此電源在惡劣環(huán)境下需承受連續(xù)的短路輸出，因而該二極管最大電流承載值應等于LM2596的極限輸出電流。

對于該二極管，其最壞的工作情況是輸出短路或過載，故其反向耐壓最小為模塊最大輸入電壓的1.25倍。因此，考慮到最大輸出電壓以及二極管的損耗影響，該電路的二極管選用肖特基二極管1N5822。1N5822具有正向導通電壓低（為0.52 V），反向擊穿電壓高（為40 V），反向擊穿電流大（為3 A）等特點。布線時，1N5822必須靠近LM2596，且其管腳要短，連接的銅線也要短。

電路中電容值的計算公式為

由于電路中通過的電流較大，且最大輸入電壓為40 V，故電容的耐壓值選定為50 V，其容量根據(jù)所設計電路的實際需求分別選取100，220，1000 μF的電容。在電壓輸出端并聯(lián)多個低阻值瓷片電容，以減小輸出的電壓紋波。

電流采樣，通常采用電阻取樣及電流傳感器取樣的方式。由于整個系統(tǒng)采用非隔離方式，為簡化設計，采用低端電阻取樣的方式，其阻值過大容易引起壓降，造成電壓誤差。根據(jù)經驗，取樣電阻選擇0.1 Ω/3 W。

2.2.2 升壓穩(wěn)壓放電模塊設計

同樣考慮到電壓輸出精度以及轉換效率，升壓型穩(wěn)壓電路選用集成直流升壓穩(wěn)壓芯片XL6009。該芯片內置N溝道的功率MOSFET和固定頻率振蕩器，功耗小，輸出電壓穩(wěn)定，體積小，重量輕，轉化效率高，最高輸出電壓可達60 V，符合要求。升壓放電電路如圖5所示。

圖5 XL6009構成的升壓穩(wěn)壓電路Fig.5 A boost voltage regulator composed of XL6009

2.2.3 測控電路

測控電路主要實現(xiàn)對模擬信號的取樣、放大處理以及過壓保護、切換控制等。電流取樣采用低端電阻取樣方式，所取信號經電壓放大后進行采樣、誤差放大處理。過壓保護通過分壓電阻網絡對蓄電池兩端充電電壓進行采樣來實現(xiàn)自動斷電。充放電模式自動切換電路的原理等同過壓保護電路，通過采樣直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓實現(xiàn)。

電路實際設計時，考慮到LM358的應用比較廣泛，且電路搭建方便，價格適宜，故最終選用LM358進行信號的放大處理。LM358是內部包括2個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器。

控制芯片選用STC單片機STC89C52。切換控制通過固態(tài)繼電器作為控制開關實現(xiàn)自動切換，其電路如圖6所示。過壓保護電路通過設計1個遲滯比較器來實現(xiàn)。

3 供電控制系統(tǒng)的程序編寫

根據(jù)雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)的功能要求，整個系統(tǒng)程序需完成按鍵識別、A/D采樣、步進控制、D/A轉換、過壓保護、數(shù)據(jù)顯示以及充放電自動切換。其主程序實現(xiàn)流程如圖7所示。

4 測試與討論

按照系統(tǒng)設計所要求的性能參數(shù)指標，對該無人機供電系統(tǒng)進行了功能、指標測試。具體調試步驟按照分模塊測試、軟件調試、軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調、空載測試以及帶負載測試來進行。

設置充電電流為2 A，輸入電壓固定在5 V時，所測實際充電電流為2.012 A，其變化率k為

圖6 自動切換控制電路Fig.6 Automatic switching control circuit

圖7 程序實現(xiàn)流程Fig.7 Program implementation flow chart

式中：Ic為測量值；Is為設定的理想值。經過計算所測定的充電電流變化率為0.35%，表明電流穩(wěn)定度較高，滿足要求。

能量轉換效率η為

式中：P1，P2分別為充放電模式下的輸出、輸入功率。按照所測定的輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流進行計算，可得：放電模式下η=82.3%；充電模式下η=81.2%。

由測試結果可以看出，存在以下元件的損耗：

①肖特基二極管的損耗 當二極管導通時，流經二極管的電流等于電感電流，能量損耗為其導通電阻上的壓降，大小為P=I2RD。

②電感由于導線存在電阻，引起的能量損耗為

式中：Re為雷諾數(shù)。

③數(shù)字電路的損耗 數(shù)字電路的損耗包括D/A、單片機、電機以及采樣電路等元器件的工作損耗。

雖然能量轉換效率較高，但仍有改進的空間。由于影響效率的主要是磁性元件、功率器件，與控制器的關系不是很大。故在選擇電感、電阻等功率元件時，應考慮元件自身能量的損耗，根據(jù)公式進行計算，選擇合理的參數(shù)，以降低損耗，提高效率。由于理論計算存在誤差，如有可能可以通過選用不同參數(shù)的元器件進行多次測試，最終確定合適的效率較高的元器件。

5 結語

所設計的太陽能無人機供電系統(tǒng)，經過測試、試驗檢驗，能夠實現(xiàn)供電方式的自動切換，實現(xiàn)對蓄電池的保護，并延長無人機的續(xù)航時間，且能量轉換效率高，穩(wěn)定性較好，具有很好的實際應用價值。