陳亮 袁大天

【摘?要】在本研究中針對無人機電源系統(tǒng)進行模型構建仿真分析，，在分析機載電源系統(tǒng)原理和結構的前提下，結合實際數據參數，根據系統(tǒng)模型進一步建立數學模型，完成仿真分析。

【關鍵詞】無人機;機載發(fā)電機;故障診斷技術

前言

直升機上用電設備使用了大量的集成元器件，它們對機載電源的供電質量提出了很高的要求，即使是正常的電源轉換，如果不采取必要的措施，也會對機載用電設備的工作產生影響。在傳統(tǒng)的直升機供電系統(tǒng)中，由于工作轉換導致短暫的電源供電中斷現象是不可避免的，這種短暫的供電中斷（時間不超過50ms）對過去模擬式的電氣電子設備的工作可能影響不大，但隨著航空技術的飛速發(fā)展，現代數字式的電子電氣設備的正常工作必然會產生很大的干擾，甚至會改變原有的工作狀態(tài)。因此，直升機電源系統(tǒng)的轉換供電技術對保證飛機的供電裕度、可靠性和安全性而言，就顯得非常重要。

1機載電源系統(tǒng)

某型無人直升機電源系統(tǒng)主要由外電源系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)組成，為全機用電設備提供28V直流電和12V直流電兩種供電體制。28V直流電用于機載任務設備用電，由一臺交流發(fā)電機通過電源變換器整流輸出28V直流電源，應急情況供電由一臺24V蓄電池組和12V/22V電源模塊共同輸出24V直流電源，地面供電通過外電源接口由機外電源輸入24V直流電源。12V直流電用于動力控制系統(tǒng)用電。由發(fā)動機自帶的交流發(fā)電機通過變壓整流后輸出12V直流電源，應急情況供電由一臺12V蓄電池組輸出12V直流電源，地面供電通過外電源接口由機外電源輸入12V直流電源。

1.1外電源系統(tǒng)

外電源插座安裝在機頭右側，在直升機處于地面狀態(tài)下通過外電源插座由機外電源為全機提供獨立的28V直流電和12V直流電，外電源系統(tǒng)優(yōu)先于發(fā)電機系統(tǒng)供電。

1.2蓄電池系統(tǒng)

蓄電池系統(tǒng)由一臺24V蓄電池組和一臺12V蓄電池組組成，每臺蓄電池都集成了智能管理系統(tǒng)，能夠根據內部單體電芯的電壓、電流和溫度信息來實現蓄電池的充放電管理和保護。蓄電池系統(tǒng)為應急供電系統(tǒng)，只有當直升機發(fā)電機系統(tǒng)故障或未滿足發(fā)電要求時，為PP1匯流條和PP2匯流條提供直流應急電源。

1.3發(fā)電機系統(tǒng)

發(fā)電機系統(tǒng)由28V發(fā)電系統(tǒng)和12V發(fā)電系統(tǒng)組成。28V發(fā)電系統(tǒng)由無人直升機交流發(fā)電機和電源變換器構成，交流發(fā)電機額定容量為2100VA，電源變換器實現發(fā)電系統(tǒng)的電壓調節(jié)、故障保護及通訊功能。12V發(fā)電系統(tǒng)由無人直升機動力裝置自帶的交流磁電機和變壓整流器構成，交流磁電機的額定容量為250VA，經變壓整流器整流后給PP1匯流條供電。當前無人機使用電源系統(tǒng)包括發(fā)電機以及控制器，A類關鍵設備系統(tǒng)是無人機氣載主要平臺，在設計實驗中需要完成發(fā)電機全面檢測，這對于原發(fā)電機早期故障剔除，定位來說起著十分重要的作用。近年來故障診斷是比較重要的研究方向，在研究理論過程中可以使用神經網絡，人工魚群優(yōu)化算法，小波分析等多種方法。本研究中深入分析機載無人機發(fā)電機系統(tǒng)，所以針對其故障模式，原因，采用神經網絡算法的方式實現對該系統(tǒng)的故障診斷。

2故障特征體系和其仿真效果分析

首先從無人機電源故障系統(tǒng)模式上來看，電源系統(tǒng)主要涉及機械、電氣這兩種類型的故障，結合電源本身的結構設計來看，航空電器故障主要為轉子繞組短路，勵磁系統(tǒng)故障，以及定子繞阻絕緣故障，機械故障，主要涉及軸承故障，根據無人機實際飛行條件、經驗來看，參考國家故障標準診斷，可對故障危害進行準確分析，構建故障模式影響分析表。在上述分析過程中，我們發(fā)現按照故障特點和持續(xù)時間，可以在整個無人機飛行過程中，機載電氣系統(tǒng)存在三種故障類型，即脈沖、突發(fā)以及漸變故障類型，在本研究中著重對突發(fā)故障這種類型進行分析，具有較強的容錯性。由于表征對象狀態(tài)參數量較大，因此，在龐大的數據中應當找出特征信息并完成特征量的提取，只有這樣才能夠準確進行故障診斷和對象性能檢測分析，采用的方法為主要成分分析法，該方法可對象征討，在特征向量提取和數據壓縮中起著重要作用。其中在規(guī)范處理時為確保每個數據能夠處于某一屬性范圍內，采用最大最小規(guī)范處理的方式，即能夠完成初始數據線性變化，假定最大值和最小值分別變量，通過下列公式：

x'=（new_new_new_min）+min=

可以將x值映射到區(qū)間中，計算相應的主成分向量，進而按照屬性排序。在電源系統(tǒng)仿真時，為確保故障診斷算法能夠準確驗證，可以以機載電源作為研究對象，綜合分析電源運行情況，在計算機軟件中完成建模，發(fā)電機、蓄電池、控制器的仿真分析，可對整個機載電源進行仿真分析，掌握其特性。采用idealswitch模塊實現電路開路，能夠與勵磁電路相接，實現時間控制短路故障發(fā)生時刻和持續(xù)時間，以此來模擬勵磁回路故障問題。我們可以發(fā)現是系統(tǒng)的啟動過程，在0.2秒之前系統(tǒng)能夠達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，確保電壓實現28伏特穩(wěn)定運行，電流能夠穩(wěn)定在53安培的范圍內，在0.2秒時系統(tǒng)出現故障，此時主電源的電流、電壓分別降低為0，出現故障主要表現為主電源電壓、電流迅速降低，逐漸為零，當該系統(tǒng)獲取特征信息之后，我們可以發(fā)現該故障主要為勵磁繞阻故障，相比無人機飛行數據來看，進一步驗證了該數據的準確性，表明這種電源仿真模型具有一定的合理性，能夠在該模型的前提下添加故障模式并獲得相應的故障信息，這對于構建特征數據庫是具有重要意義的。構建故障特征庫，實際上故障特征庫是系統(tǒng)故障診斷預測的重要內容，可用于儲存專家知識庫和實際故障特征數據，這種特征庫是否完善將決定最終系統(tǒng)的故障診斷能力和效率，結合發(fā)電機故障類型和實際運行過程中獲得的參數檢測情況，我們可以發(fā)現將直流電壓28伏特，直流電流28安培作為故障特征向量診斷信號，主要由于電流、電壓信號反應目前系統(tǒng)的故障運行狀態(tài)，并且利用電流電源監(jiān)測傳感器且由于其放置條件較為便利，可用以獲取真實的測量效果，由于在測量時需要借助直流發(fā)電機、三相電壓，因此在實際監(jiān)測時難度是比較大的，最終我們沒有將其納入故障特征庫中。

結束語

為保證機載電子設備的可靠工作，需盡量縮短甚至消除供電模式轉換過程中的供電中斷時間，本文所介紹的機載電源系統(tǒng)利用蓄電池作為緩沖，能夠實現不中斷供電，從而保證了機載用電設備的正常工作。

參考文獻：

[1]李紅，楊善水.無人機交流發(fā)電系統(tǒng)故障診斷技術[J].南京航空航天大學學報，2009，41（b12）：15-18.

[2]舒暢.無人機傳感器故障診斷方法研究[D].成都：電子科技大學，2017.

（作者單位：中國飛行試驗研究院）