何敬宇 劉征威

摘要：分析了系留氣球傳統(tǒng)配電方式的不足和智能配電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，研究了系留氣球典型負(fù)載的控制邏輯和保護(hù)特性，并在此基礎(chǔ)上開展了系留氣球智能配電系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：智能配電;總線;固態(tài)功率控制（SSPC）;I²T保護(hù)

中圖分類號(hào)：V273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：1671-2064（2019）16-0000-00

0引言

系留氣球配電系統(tǒng)通常采用遙控式集中配電模式，采用熔斷器或斷路器對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)，采用繼電器或接觸器對(duì)線路通斷進(jìn)行控制，這種配電模式技術(shù)簡單，在中小型系留氣球中廣泛應(yīng)用。隨著系留氣球的發(fā)展，電子設(shè)備數(shù)量和復(fù)雜度增加，所搭載的任務(wù)載荷越來越多樣化且用電功率越來越大，遙控式集中配電模式的各種弊端顯現(xiàn)出來：電網(wǎng)重量過大;配電線路及電氣負(fù)載控制繁雜、笨重;配電中心至遠(yuǎn)端的低壓配電線路損耗大;可靠性低、容錯(cuò)能力差、可測(cè)試性差、自動(dòng)化程度低。

智能配電技術(shù)是一種基于總線和固態(tài)功率控制的新型配電技術(shù)，通過總線將計(jì)算機(jī)的指令傳輸?shù)脚潆妴卧?，通過固態(tài)功率控制電路對(duì)各負(fù)載進(jìn)行管理并實(shí)時(shí)檢測(cè)各負(fù)載通道的工作狀態(tài)和參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系留氣球電能的自動(dòng)分配、管理、監(jiān)控及保護(hù)。

在系留氣球上采用智能配電技術(shù)同集中配電模式比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）固態(tài)器件的開關(guān)次數(shù)可達(dá)數(shù)億次，解決了風(fēng)機(jī)類負(fù)載高頻開關(guān)的要求，提高了配電系統(tǒng)壽命;（2）省去了繁雜的負(fù)載控制線路，簡化配電系統(tǒng)、降低重量和減少體積;（3）對(duì)全系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行綜合管理與調(diào)度，提高了配電系統(tǒng)的可靠性;（4）提供更加可靠和更加精確的保護(hù)功能;（5）消除了繼電器等器件動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生火花和電弧的問題，提高了系統(tǒng)電磁兼容性。

本文依據(jù)系留氣球典型負(fù)載控制邏輯和保護(hù)特性從軟、硬件兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)氣球智能配電系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

1系留氣球典型負(fù)載控制邏輯及保護(hù)特性

系留氣球典型的用電負(fù)載主要包括風(fēng)機(jī)類、閥門類、航電類、燈光類及其他類負(fù)載。風(fēng)機(jī)類負(fù)載主要包括系留氣球上所使用的大、小風(fēng)機(jī)，均為電機(jī)類負(fù)載;閥門類負(fù)載主要包括空氣閥、氦氣閥和電磁閥等，均為電機(jī)類或感性負(fù)載;電子類負(fù)載主要包括計(jì)算機(jī)、各類型傳感器、光端機(jī)、導(dǎo)航設(shè)備、空管設(shè)備等，均為小功率電子類負(fù)載;燈光類負(fù)載主要是防撞燈和閃光燈，為脈沖負(fù)載。

（1）風(fēng)機(jī)類負(fù)載。風(fēng)機(jī)類負(fù)載控制邏輯相對(duì)簡單，直接采用SSPC控制負(fù)載通、斷電。考慮到風(fēng)機(jī)啟動(dòng)特性，負(fù)載通道必須能夠承受風(fēng)機(jī)啟動(dòng)沖擊，其保護(hù)特性根據(jù)風(fēng)機(jī)的工作特性曲線進(jìn)行保護(hù)特性設(shè)計(jì)。

（2）閥門類負(fù)載。閥門類負(fù)載主要包含空氣閥、氦氣閥、電磁閥等，空氣閥和氦氣閥根據(jù)控制邏輯主要可分為Ⅰ型閥門、Ⅱ型閥門，其控制邏輯如圖1、圖2所示。

（3）電子類負(fù)載。電子類設(shè)備額定電流均較小，控制邏輯也很簡單，只需進(jìn)行通斷電控制。

（4）燈光類負(fù)載。燈光類設(shè)備主要是防撞燈和閃光燈，控制邏輯也相對(duì)簡單，但負(fù)載通道額定電流應(yīng)考慮其脈沖工作情況下最大電流。

2系留氣球智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)前文分析，針對(duì)系留氣球典型負(fù)載開展系留氣球智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能配電系統(tǒng)主要由母板、CPU板、SSPC板和電源板部件組成。其中母板為其他各個(gè)板卡提供結(jié)構(gòu)支撐和電氣連接;CPU板為核心控制部件，通過總線接收上位機(jī)的控制指令，下發(fā)給各SSPC通道并將SSPC通道的狀態(tài)信息反饋給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的BIT功能等;SSPC板部件接收CPU板部件指令，控制相應(yīng)SSPC功率回路的通斷，檢測(cè)SSPC通道的狀態(tài)信息并反饋至CPU板部件，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)和短路保護(hù)等;電源板部件經(jīng)過濾波穩(wěn)壓等為正常工作提供電源。智能配電系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

根據(jù)系留氣球各典型負(fù)載的用電需求，SSPC板為多路不同額定電流規(guī)格的SSPC模塊的集合，SSPC模塊的硬件主要分為6部分，包括：DC-DC轉(zhuǎn)換電路、微控制器電路、AD采集電路、總線通訊電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率回路電路等。其原理框圖見圖4。

如圖5所示，采用高精度電阻實(shí)現(xiàn)電流采樣并通過軟件進(jìn)行校準(zhǔn)，電流采樣精度常溫下不低于5%。電流和電壓信號(hào)采樣電路采用反向比例放大電路結(jié)構(gòu)，分別將電流采樣電阻上的電壓和MOSFET到功率地之間的電壓調(diào)理到微控制器能夠采集的0～3.3V電壓范圍內(nèi)。

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路將微控制器發(fā)出的0/3.3V控制信號(hào)通過專用驅(qū)動(dòng)芯片轉(zhuǎn)換為0/9V的MOSFET驅(qū)動(dòng)電平。驅(qū)動(dòng)芯片瞬態(tài)輸出電流可達(dá)2A，能夠可靠驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián)的MOSFET。

配電系統(tǒng)內(nèi)部采用CAN總線通訊，主要功能是SSPC板卡與CPU板進(jìn)行信息交換并通過光偶實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)隔離。配電系統(tǒng)與外部上位機(jī)通過Rs-422接口完成通訊。

對(duì)于Ⅰ、Ⅱ型閥門類復(fù)雜控制邏輯負(fù)載，采用多路SSPC實(shí)現(xiàn)其控制邏輯，以Ⅰ型閥門為例，如圖6所示，采用4路SSPC實(shí)現(xiàn)Ⅰ型閥門的控制邏輯，其中SSPC1和SSPC2、SSPC3和SSPC4分為2組，通過軟件設(shè)置控制邏輯，每組SSPC聯(lián)動(dòng)開通、關(guān)斷，2組SSPC互補(bǔ)開、關(guān)并設(shè)置相應(yīng)的死區(qū)，防止開通關(guān)斷信號(hào)同時(shí)存在損壞設(shè)備。

2.2軟件設(shè)計(jì)

智能配電系統(tǒng)軟件主要包括主控軟件和SSPC控制軟件。

主控軟件實(shí)現(xiàn)的功能主要有：系統(tǒng)BIT檢測(cè)、接收上位機(jī)指令并下發(fā)至各SSPC模塊，查詢各SSPC通道的實(shí)時(shí)狀態(tài)并上報(bào)、離散量信號(hào)采集和控制，以及日志和故障信息存儲(chǔ)等功能。其軟件流程如圖7所示。

SSPC控制軟件根據(jù)CPU板下發(fā)的通斷指令控制SSPC通道的開通與關(guān)斷，監(jiān)測(cè)SSPC通道輸出電壓和負(fù)載電流，獲取采樣電壓和采樣電流值，對(duì)采樣電流進(jìn)行計(jì)算以實(shí)現(xiàn)規(guī)定曲線的I²T保護(hù)和短路保護(hù)，并記錄跳閘時(shí)刻的SSPC通道狀態(tài)信息。根據(jù)電流采樣值、電壓采樣值進(jìn)行閾值比較，將比較的SSPC狀態(tài)信息上報(bào)至主控軟件。其軟件流程圖如圖8所示。

3結(jié)語

本文首先分析了系留氣球傳統(tǒng)配電方式的不足和智能配電技術(shù)在系留氣球上應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，選取了系留氣球不同類型典型負(fù)載，對(duì)其控制邏輯和保護(hù)特性研究，并在此基礎(chǔ)上開展了系留氣球智能配電系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]沈頌華.航空航天器供電系統(tǒng)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2]劉紅奎.基于FPGA的固態(tài)功率控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[3]阮立剛，王莉.一種新型直流固態(tài)功率控制器行為模型[J].航空學(xué)報(bào)，2012，33（1）：129-137.

收稿日期：2019-06-26

作者簡介：何敬宇（1970—），男，漢族，北京人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：航空電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。