UAV電源管理系統(tǒng)電路設計攻略

由于在民用及國防等諸多領域中的廣泛應用， 空中機器人技術已經(jīng)越來越被人們所重視， 并吸引了各國專家學者的注意。小型旋翼機器人是以模型直升機為載體， 裝備上傳感器單元， 控制單元和伺服機構等裝置以實現(xiàn)自主飛行。而為了提高飛機的安全性， 需要設計一套設備監(jiān)測系統(tǒng)， 實時的監(jiān)測飛機的姿態(tài)信息， 機載設備的狀況以及電源的情況等。

該平臺所使用的電源是兩節(jié)鋰電池串聯(lián)組成的電池組， 利用鋰離子電池的充放電特性， 設計了一套以mega16l 為核心的充放電管理系統(tǒng)。鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運行過程中， 為了保護鋰電池的安全， 設計了一套欠壓保護電路， 以防止電源管理系統(tǒng)因過用而發(fā)生電池特性和耐久性特性劣化。

電源管理系統(tǒng)總體框架

無人機電源管理系統(tǒng)是飛機實現(xiàn)自主飛行的重要組成部分， 其大致框架如圖1 所示。在該系統(tǒng)中， 利用AXI 公司生產(chǎn)的2212/ 34 型號發(fā)電機將動能轉換為220V 交流電， 再經(jīng)過整流穩(wěn)壓后輸出11.6V 的直流電壓， 可由該輸出電壓為兩節(jié)鋰電池充電。電源管理系統(tǒng)的控制器是meg a161單片機， 該控制器通過檢測兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開關來對電池進行充放電管理。

圖1 電源管理系統(tǒng)框架

控制器采集到電源系統(tǒng)中的信息后， 通過無線傳輸設備將該數(shù)據(jù)實時傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺還可以發(fā)送一些指令給mega16l， 通過控制繼電器開關來控制電池充放電， 從而實現(xiàn)監(jiān)測和控制飛機的目的。機上電源模塊由兩節(jié)英特曼電池有限公司生產(chǎn)的鋰電池組成， 電池組電量充足時電壓為8?? 4V.電池的荷電量與整個供電系統(tǒng)的可靠性密切相關， 電池剩余電量越多， 系統(tǒng)的可靠性越高， 因此飛行時能實時獲得電池的剩余電量， 這將大大提高飛機的可靠性。

電源監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

直升機能順利完成飛行任務， 充足的電源供應不可或缺。

由鋰電池的特性可知， 在過度放電的情況下， 電解液因分解而導致電池特性劣化并造成充電次數(shù)降低。因此為了保護電池的安全， 電源系統(tǒng)在給控制系統(tǒng)供電前要經(jīng)過欠壓保護模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預測電源系統(tǒng)中剩余的電量， 這里采用檢測電源系統(tǒng)電壓的方法， 在測得系統(tǒng)的電源電壓后， 查找由放電曲線建立的數(shù)據(jù)庫， 就能估計出電源系統(tǒng)中所剩余的電量。

單片機所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V， 因此可為meg a16l 設計外部基準電壓為2.5V， 該基準穩(wěn)壓電路如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測電池的電壓， 需要將電池用電阻進行分壓且最大分得的電壓值不能超過2.5V.控制器測得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數(shù)后， 就能得到電源系統(tǒng)中的實時電壓。時刻監(jiān)測鋰電池的用電情況， 防止電池過用現(xiàn)象出現(xiàn)， 就能達到有效使用電池容量和延長壽命的目的。

圖2 基準電壓電路

直流無刷電機電路

無刷直流電機是由電動機主體和驅動器組成， 是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。直流無刷電機與一般直流電機具有相同的工作原理和應用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機本身外， 前者還多一個換向電路， 直流無刷電動機的電機本身是機電能量轉換部分， 它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外， 還帶有傳感器。該發(fā)電機的部分AC-DC 電路如圖3 所示。

圖3 無刷電機AC-DC 電路

充電電路

鋰離子電池的充電特性和鎳鎘、鎳氫電池的充電特性有所不同， 鋰離子電池在充電時， 電池電壓緩慢上升， 充電電流逐漸減小， 當電壓達到4.2V 左右時， 電壓基本不變， 充電電流繼續(xù)減小。因此對于改型充電器可先用先恒流后恒壓充電方式進行充電， 具體充電電路如圖4 所示。該電路選用LM2575($0.9360)ADJ 組成斬波式開關穩(wěn)壓器， 最大充電電流為1A.

圖4 高效開關型恒流/ 恒壓充電器部分電路

該電路工作原理如下： 當電池接入充電器后， 該電路輸出恒定電流， 對電池充電。該充電器的恒流控制部分由雙運放LM358($0.0737) 的一半、增益設定電阻R3 和R4 、電流取樣電阻R5 和1. 23V 反饋基準電壓源組成。剛接入電池后， 運放LM358 輸出低電平， 開關穩(wěn)壓器LM2575-ADJ 輸出電壓高， 電池開始充電。當充電電流上升到1A 時， 取樣電阻R5 (50m 歐) 兩端壓降達到50mV， 該電壓經(jīng)過增益為25 的運放放大后， 輸出1.23V 電壓， 該電壓加到LM2575 的反饋端， 穩(wěn)定反饋電路。

當電池電壓達到8.4V 后， LM3420($0.9940) 開始控制LM2575ADJ 的反饋腳。LM3420 使充電器轉入到恒壓充電過程， 電池兩端電壓穩(wěn)定在8?? 4V.R6 、R7 和C3 組成補償網(wǎng)絡， 保證充電器在恒流/ 恒壓狀態(tài)下穩(wěn)定工作。若輸入電源電壓中斷， 二極管D2 和運放LM358 中的PNP 輸入級反向偏置， 從而使電池和充電電路隔離， 保證電池不會通過充電電路放電。當充電轉入恒壓充電狀態(tài)時， 二極管D3 反向偏置， 因此運放中不會產(chǎn)生灌電流。

電源欠壓保護

電源欠壓保護由鋰電池的電池放電特性易知， 當電池處于3.5V 時， 此時電池電量即將用完， 應及時給電池充電， 否則電池電壓將急劇下降直至電池損壞。于是設計了一套欠壓保護電路如圖5 所示， 利用電阻分壓所得和由TL431($0.0625) 設計的基準電壓比較， 將比較結果送人LM324($0.0900) 放大電路進而觸發(fā)由三極管構成的開關系統(tǒng)， 從而控制負載回路的通阻。試驗證明， 當系統(tǒng)電壓達到臨界危險電壓7V 時， 系統(tǒng)的輸出電流僅為4mA， 從而防止了系統(tǒng)鋰電池過度放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖5 欠壓保護電路

由于鋰離子電池能量密度高， 因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態(tài)下， 電池溫度上升后能量將過剩， 于是電解液分解而產(chǎn)生氣體， 因內壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險;反之， 在過度放電狀態(tài)下， 電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化， 從而降低可充電次數(shù)。該充電電路和本管理系統(tǒng)能有效的防治鋰電池的過充和過用， 從而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。

本文設計了一套UAV 電源管理系統(tǒng)， 該系統(tǒng)具有自動控制充放電管理， 實時監(jiān)測電池電壓等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過調試和試驗驗證了其可行性， 但是為了保證飛機安全， 還要做更多的試驗以保證無人機自主飛行的安全和穩(wěn)定。除此之外， 高低頻濾波， 電池電量預測等也是重要的方向， 需要深入的研究。現(xiàn)今， 鋰電池的使用范圍越來越廣， 其價格也相對適中，如果掌握先進的科學的使用方法， 讓鋰電池發(fā)揮應有的最大效用， 將會節(jié)省大量的資源和財富。