UAV電源管理系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)攻略

由于在民用及國(guó)防等諸多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用， 空中機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越被人們所重視， 并吸引了各國(guó)專(zhuān)家學(xué)者的注意。小型旋翼機(jī)器人是以模型直升機(jī)為載體， 裝備上傳感器單元， 控制單元和伺服機(jī)構(gòu)等裝置以實(shí)現(xiàn)自主飛行。而為了提高飛機(jī)的安全性， 需要設(shè)計(jì)一套設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)飛機(jī)的姿態(tài)信息， 機(jī)載設(shè)備的狀況以及電源的情況等。

該平臺(tái)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(shè)計(jì)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(wú)記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時(shí)的安全性，以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中， 為了保護(hù)鋰電池的安全， 設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路， 以防止電源管理系統(tǒng)因過(guò)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(wú)人機(jī)電源管理系統(tǒng)是飛機(jī)實(shí)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(hào)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為220V 交流電， 再經(jīng)過(guò)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(jī)， 該控制器通過(guò)檢測(cè)兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)電池進(jìn)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(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備將該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺(tái)還可以發(fā)送一些指令給mega16l， 通過(guò)控制繼電器開(kāi)關(guān)來(lái)控制電池充放電， 從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制飛機(jī)的目的。機(jī)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(shí)電壓為8?? 4V.電池的荷電量與整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)， 電池剩余電量越多， 系統(tǒng)的可靠性越高， 因此飛行時(shí)能實(shí)時(shí)獲得電池的剩余電量， 這將大大提高飛機(jī)的可靠性。

電源監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

直升機(jī)能順利完成飛行任務(wù)， 充足的電源供應(yīng)不可或缺。

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

單片機(jī)所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V， 因此可為meg a16l 設(shè)計(jì)外部基準(zhǔn)電壓為2.5V， 該基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測(cè)電池的電壓， 需要將電池用電阻進(jìn)行分壓且最大分得的電壓值不能超過(guò)2.5V.控制器測(cè)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(shí)時(shí)電壓。時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋰電池的用電情況， 防止電池過(guò)用現(xiàn)象出現(xiàn)， 就能達(dá)到有效使用電池容量和延長(zhǎng)壽命的目的。

圖2 基準(zhǔn)電壓電路

直流無(wú)刷電機(jī)電路

無(wú)刷直流電機(jī)是由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流無(wú)刷電機(jī)與一般直流電機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機(jī)本身外， 前者還多一個(gè)換向電路， 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分， 它除了電機(jī)電樞、永磁勵(lì)磁兩部分外， 還帶有傳感器。該發(fā)電機(jī)的部分AC-DC 電路如圖3 所示。

圖3 無(wú)刷電機(jī)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(shí)， 電池電壓緩慢上升， 充電電流逐漸減小， 當(dāng)電壓達(dá)到4.2V 左右時(shí)， 電壓基本不變， 充電電流繼續(xù)減小。因此對(duì)于改型充電器可先用先恒流后恒壓充電方式進(jìn)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器， 最大充電電流為1A.

圖4 高效開(kāi)關(guān)型恒流/ 恒壓充電器部分電路

該電路工作原理如下： 當(dāng)電池接入充電器后， 該電路輸出恒定電流， 對(duì)電池充電。該充電器的恒流控制部分由雙運(yùn)放LM358($0.0737) 的一半、增益設(shè)定電阻R3 和R4 、電流取樣電阻R5 和1. 23V 反饋基準(zhǔn)電壓源組成。剛接入電池后， 運(yùn)放LM358 輸出低電平， 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM2575-ADJ 輸出電壓高， 電池開(kāi)始充電。當(dāng)充電電流上升到1A 時(shí)， 取樣電阻R5 (50m 歐) 兩端壓降達(dá)到50mV， 該電壓經(jīng)過(guò)增益為25 的運(yùn)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(dāng)電池電壓達(dá)到8.4V 后， LM3420($0.9940) 開(kāi)始控制LM2575ADJ 的反饋腳。LM3420 使充電器轉(zhuǎn)入到恒壓充電過(guò)程， 電池兩端電壓穩(wěn)定在8?? 4V.R6 、R7 和C3 組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)， 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(yùn)放LM358 中的PNP 輸入級(jí)反向偏置， 從而使電池和充電電路隔離， 保證電池不會(huì)通過(guò)充電電路放電。當(dāng)充電轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)時(shí)， 二極管D3 反向偏置， 因此運(yùn)放中不會(huì)產(chǎn)生灌電流。

電源欠壓保護(hù)

電源欠壓保護(hù)由鋰電池的電池放電特性易知， 當(dāng)電池處于3.5V 時(shí)， 此時(shí)電池電量即將用完， 應(yīng)及時(shí)給電池充電， 否則電池電壓將急劇下降直至電池?fù)p壞。于是設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路如圖5 所示， 利用電阻分壓所得和由TL431($0.0625) 設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓比較， 將比較結(jié)果送人LM324($0.0900) 放大電路進(jìn)而觸發(fā)由三極管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)， 從而控制負(fù)載回路的通阻。試驗(yàn)證明， 當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到臨界危險(xiǎn)電壓7V 時(shí)， 系統(tǒng)的輸出電流僅為4mA， 從而防止了系統(tǒng)鋰電池過(guò)度放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖5 欠壓保護(hù)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(guò)度充電狀態(tài)下， 電池溫度上升后能量將過(guò)剩， 于是電解液分解而產(chǎn)生氣體， 因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險(xiǎn);反之， 在過(guò)度放電狀態(tài)下， 電解液因分解導(dǎo)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(guò)充和過(guò)用， 從而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。

本文設(shè)計(jì)了一套UAV 電源管理系統(tǒng)， 該系統(tǒng)具有自動(dòng)控制充放電管理， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性， 但是為了保證飛機(jī)安全， 還要做更多的試驗(yàn)以保證無(wú)人機(jī)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(yù)測(cè)等也是重要的方向， 需要深入的研究?，F(xiàn)今， 鋰電池的使用范圍越來(lái)越廣， 其價(jià)格也相對(duì)適中，如果掌握先進(jìn)的科學(xué)的使用方法， 讓鋰電池發(fā)揮應(yīng)有的最大效用， 將會(huì)節(jié)省大量的資源和財(cái)富。