JP2020040550A - Wired power supply type unmanned flight vehicle - Google Patents

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Abstract

To provide an unmanned flight vehicle capable of flying for a long time.SOLUTION: A wired power supply type unmanned flight vehicle 10 includes a ground power supply unit that supplies power to an unmanned flight vehicle, an unmanned flight vehicle power unit that supplies power to motors and electronic devices of the unmanned flight vehicle, and a feeder line 14 connecting the ground power supply unit and the unmanned flight vehicle power unit. In the wired power supply type unmanned flight vehicle, supply power supplied from the ground power supply unit to the unmanned flight vehicle power supply unit via the feeder line has a periodic voltage or current waveform. The periodic waveform is an AC waveform or a switching waveform. The AC waveform at a low frequency is a sine wave from a commercial power supply, and the AC waveform at a high frequency is a switching waveform. A circuit configuration of a transformer or a converter can be used for a feeder circuit that performs wired power supply, and a sine wave or a switching waveform is transmitted through the feeder line.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、小型の無人ヘリコプターや無人飛行機など、遠隔操作によって飛行する無人飛行体への電力供給方法に関する。   The present invention relates to a method for supplying power to an unmanned aerial vehicle that flies by remote control, such as a small unmanned helicopter or an unmanned aerial vehicle.

一般にドローンと呼ばれる無人飛行体は、複数の回転翼を備えており、地上での操縦により、空中で3次元的な移動や安定な停止(ホバリング)が可能である。このため、空中での撮影から物の運搬まで幅広く利用されている。   An unmanned aerial vehicle generally called a drone has a plurality of rotary wings, and is capable of three-dimensional movement and stable stopping (hovering) in the air by maneuvering on the ground. For this reason, it is widely used from shooting in the air to transporting objects.

無人飛行体は、回転翼を回転させるモータ、電子機器及び電子回路等の電源は、無人飛行体に搭載された電池から電力の供給が行われており、現在一般的に利用されるバッテリーはリチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、小型・軽量でありながら、1セル3.7Vと高出力であることが特徴である。   Unmanned aerial vehicles are powered by a motor mounted on the unmanned aerial vehicle, and power is supplied to the motors, the electronic devices, and the electronic circuits that rotate the rotors. It is an ion battery. The lithium-ion battery is characterized by a high output of 3.7 V per cell while being small and lightweight.

地上に電源を置いて有線で無人飛行体に給電する方式もあり、例えば特許文献1〜4に開示されている。地上からの給電は直流であるが、モータは消費電力が大きく、1モータ当たり500〜1000Wを供給する必要がある。回転翼のモータはブラシレスモータが使用されている場合が多く、12〜24Vの直流電圧が必要である。地上からの給電をモータの直流電圧と同じ電圧にすると、50A以上もの電流が必要となり、給電線が太く、重くなる。無人飛行体は、100〜150mの上空を飛行するため、給電線は太さ3mm以上が必要となり、重量は10kgを超えてくる。   There is also a system in which a power source is placed on the ground and power is supplied to an unmanned aerial vehicle by wire, and disclosed, for example, in Patent Documents 1 to 4. Although the power supply from the ground is direct current, the motor consumes large power and needs to supply 500 to 1000 W per motor. In many cases, a brushless motor is used as the motor for the rotor blade, and a DC voltage of 12 to 24 V is required. If the power supplied from the ground is set to the same voltage as the DC voltage of the motor, a current of 50 A or more is required, and the power supply line becomes thick and heavy. Since the unmanned aerial vehicle flies over 100 to 150 m, the power supply line needs to be 3 mm or more in thickness, and the weight exceeds 10 kg.

給電線を細く軽くするために、地上から給電する直流の電圧を高くする方法が提案されている。例えば、特許文献1では、200V以上、例えば360Vの直流電圧を供給しており、特許文献2では、160Vの直流電圧を給電している。   In order to make the power supply line thinner and lighter, a method of increasing the DC voltage supplied from the ground has been proposed. For example, Patent Document 1 supplies a DC voltage of 200 V or more, for example, 360 V, and Patent Document 2 supplies a DC voltage of 160 V.

特許文献4には、地上から無人飛行体へ送られる電力が交流の場合は、無人飛行体にAC/DCコンバータが必要であると記載されているが、効率については何ら記載されていない。   Patent Literature 4 describes that an AC / DC converter is required for the unmanned aerial vehicle when the power transmitted from the ground to the unmanned aerial vehicle is an alternating current, but does not describe any efficiency.

特許文献1:特開2016−74257
特許文献2:WO2014/203593
特許文献3:WO2014/152159
特許文献4:特開2017−013653
Patent Document 1: JP-A-2006-74257
Patent Document 2: WO2014 / 203593
Patent Document 3: WO2014 / 152159
Patent Document 4: JP-A-2017-013653

無人飛行体は、長時間の飛行が求められているが、従来の無人飛行体に電池を搭載する方式では、飛行時間は容量の問題から15〜25分程度であった。さらに長時間の飛行を行うためには、電池の容量を大きくしなければならず、無人飛行体の重量が重くなるといった課題があった。   The unmanned aerial vehicle is required to fly for a long time. However, in a conventional system in which a battery is mounted on an unmanned aerial vehicle, the flight time is about 15 to 25 minutes due to a capacity problem. In order to perform a long flight, there is a problem that the capacity of the battery must be increased and the weight of the unmanned aerial vehicle increases.

有線で無人飛行体に給電する方式では、直流電圧で電力を送電するため、送電線での損失が大きいといった課題があった。このため、効率の良い給電が必要とされている。   In a system in which electric power is supplied to an unmanned aerial vehicle via a wire, electric power is transmitted using a DC voltage, and thus there is a problem that a loss in a transmission line is large. For this reason, efficient power supply is required.

本発明は、長時間飛行可能な無人型飛行体を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an unmanned aerial vehicle that can fly for a long time.

(1)本発明に係る有線給電型無人飛行体は、 無人飛行体に電源を供給する地上電源部と、前記無人飛行体のモータ及び電子機器へ電力を供給する無人飛行体電源部と、前記地上電源部と前記無人飛行体電源部とを接続する給電線と、を備え、前記地上電源部から前記給電線を介して前記無人飛行体電源部へ供給する供給電力は、周期的な電圧又は電流波形を有すること、を特徴とする。   (1) A wire-powered unmanned aerial vehicle according to the present invention includes: a ground power supply unit that supplies power to the unmanned aerial vehicle; an unmanned aerial vehicle power unit that supplies power to a motor and an electronic device of the unmanned aerial vehicle; A power supply line connecting the ground power supply unit and the unmanned aerial vehicle power supply unit, and the power supplied from the ground power supply unit to the unmanned aerial vehicle power supply unit via the power supply line is a periodic voltage or It has a current waveform.

(2)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記供給電力は、単相交流電力であることが好ましい。   (2) In the wired powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the supply power is a single-phase AC power.

(3)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記給電線は単相3線式であることが好ましい。   (3) In the wire-powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the power supply line is a single-phase three-wire type.

(4)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記供給電力は、三相交流電力であることが好ましい。   (4) In the wired powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the supplied power is three-phase AC power.

(5)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記単相交流電力又は前記三相交流電力は、商用電源からの交流電力であることが好ましい。   (5) In the wired powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, the single-phase AC power or the three-phase AC power is preferably AC power from a commercial power supply.

(6)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記三相交流電力は、前記単相交流電力から変換されていることが好ましい。   (6) In the wired powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, preferably, the three-phase AC power is converted from the single-phase AC power.

(7)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記地上電源部には昇圧部が設けられ、前記商用電源からの交流電力は、前記昇圧部により昇圧され、給電線を介して前記無人飛行体電源部に給電されることが好ましい。   (7) In the wire-powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, a booster is provided in the ground power supply unit, and AC power from the commercial power supply is boosted by the booster, and the unmanned unmanned aerial vehicle is supplied via a power supply line. Preferably, power is supplied to the flying object power supply.

(8)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記地上電源部には、DC/ACインバータ又はAC/ACコンバータが設けられ、前記無人飛行体電源部には、AC/DCコンバータ、DC/DC及びDC/ACインバータが設けられていることが好ましい。   (8) In the wire-powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, the ground power unit is provided with a DC / AC inverter or an AC / AC converter, and the unmanned aerial vehicle power unit is provided with an AC / DC converter and a DC. / DC and DC / AC inverters are preferably provided.

(9)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記供給電力の出力波形は、スイッチング波形であることが好ましい。   (9) In the wire-powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the output waveform of the supplied power is a switching waveform.

(10)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記給電線のカットオフ周波数は、前記スイッチング波形のスイッチング周波数より高いことが好ましい。   (10) In the wired powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that a cutoff frequency of the power supply line is higher than a switching frequency of the switching waveform.

(11)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記給電線は、前記スイッチング波形のノイズ除去機能を備えていることが好ましい。   (11) In the wired powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the power supply line has a function of removing noise from the switching waveform.

(12)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記スイッチング周波数に対応する波長は、前記給電線の長さの1/4であることが好ましい。   (12) In the wire-powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the wavelength corresponding to the switching frequency is 1 / of the length of the power supply line.

(13)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記スイッチング波形は、チョッパ回路の出力波形であることが好ましい。   (13) In the wired powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the switching waveform is an output waveform of a chopper circuit.

(14)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記スイッチング波形は、絶縁型コンバータのトランス出力波形であることが好ましい。   (14) In the wired powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the switching waveform is a transformer output waveform of an insulating converter.

(15)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記チョッパ回路又は前記絶縁型コンバータのスイッチング素子は、GaNトランジスタ又はSiCトランジスタからなる素子であることが好ましい。   (15) In the wired powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the switching element of the chopper circuit or the insulating converter is an element made of a GaN transistor or a SiC transistor.

(16)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記無人飛行体電源部には、平滑回路が設けられていることが好ましい。   (16) In the wire-powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the unmanned aerial vehicle power supply unit is provided with a smoothing circuit.

(17)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記地上電源部は、車載電池を備えていることが好ましい。   (17) In the wire-powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the ground power supply unit includes a vehicle-mounted battery.

(18)本発明に係る有線給電型無人飛行体において、前記地上電源部は、エンジン発電機を備えていることが好ましい。   (18) In the wired powered unmanned aerial vehicle according to the present invention, it is preferable that the ground power supply unit includes an engine generator.

(1)本発明の有線給電型無人飛行体は、無人飛行体に電源を供給する地上電源部と、無人飛行体のモータ及び電子機器へ電力を供給する無人飛行体電源部と、地上電源部と無人飛行体電源部を接続する給電線とを備え、地上電源部から給電線を介して無人飛行体電源部へ供給する供給電力は、周期的な電圧又は電流波形を有する。このため、低周波での交流波形は、高電圧とすることにより損失の少ない給電が可能となる。また、高周波での給電は、ノイズの除去を給電線で行うことにより、一般的に使用されているスナバ回路を設ける必要がなく、部品点数を抑えることができる。さらに、電圧又は電流波形の周期は幅広く設定できる。   (1) A wired power supply type unmanned aerial vehicle according to the present invention includes a ground power supply unit that supplies power to the unmanned aerial vehicle, an unmanned aerial vehicle power supply unit that supplies power to a motor and an electronic device of the unmanned aerial vehicle, and a ground power supply unit. And a power supply line connecting the unmanned aerial vehicle power supply unit. The power supplied from the ground power supply unit to the unmanned aerial vehicle power supply unit via the power supply line has a periodic voltage or current waveform. For this reason, the AC waveform at a low frequency can be supplied with a small loss by using a high voltage. In addition, when power is supplied at a high frequency, noise is removed by a power supply line, so that it is not necessary to provide a snubber circuit that is generally used, and the number of components can be reduced. Further, the cycle of the voltage or current waveform can be set widely.

(2)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、供給電力が単相交流電力であることにより、交流電源はトランスにより昇圧が容易である。   (2) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the supply power is single-phase AC power, the AC power supply can be easily stepped up by a transformer.

(3)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、給電線が単相3線式であることにより、単相2線式の2倍の電圧で送電できる。   (3) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the power supply line is a single-phase three-wire system, power can be transmitted at twice the voltage of the single-phase two-wire system.

(4)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、供給電力が三相交流電力であることにより、単相交流電力に比べて給電線での損失が少ない。   (4) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the supplied power is three-phase AC power, loss on the power supply line is smaller than that of single-phase AC power.

(5)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、単相交流電力又は三相交流電力が商用電源からの交流電力であることにより、電源の利用が容易にできる。   (5) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the single-phase AC power or the three-phase AC power is the AC power from the commercial power supply, the power supply can be easily used.

(6)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、三相交流電力が単相交流電力から変換されていることにより、単相交流電力は広く使用されているから利用が容易である。   (6) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the three-phase AC power is converted from the single-phase AC power, the single-phase AC power is widely used and therefore easy to use.

(7)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、地上電源部には昇圧部が設けられ、商用電源からの交流電力は、昇圧部により昇圧され、給電線を介して無人飛行体電源部に給電されているため、給電線での損失を抑えることができる。   (7) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, the booster is provided in the ground power supply unit, and the AC power from the commercial power is boosted by the booster, and the power supply of the unmanned aerial vehicle is supplied via the power supply line. Since the power is supplied to the unit, the loss in the power supply line can be suppressed.

(8)本発明の有線給電型無人飛行体においては、地上電源部には、DC/ACインバータ又はAC/ACコンバータが設けられ、無人飛行体電源部には、AC/DCコンバータ、DC/DC及びDC/ACインバータが設けられている。交流電力は、商用電源に限らず、DC/ACインバータ又はAC/ACコンバータにより、任意の電圧及び周波数に変換でき、効率のよい電源の供給が可能である。また、無人飛行体電源部には、AC/DCコンバータ、DC/DC及びDC/ACインバータが設けられており、無人飛行体に搭載されている制御回路、センサ、モータやカメラ等の搭載機器への最適な電源が供給できる。   (8) In the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, the ground power supply unit is provided with a DC / AC inverter or an AC / AC converter, and the unmanned aerial vehicle power supply unit is provided with an AC / DC converter and a DC / DC. And a DC / AC inverter. The AC power is not limited to a commercial power supply, but can be converted to an arbitrary voltage and frequency by a DC / AC inverter or an AC / AC converter, and efficient power supply is possible. In addition, the unmanned aerial vehicle power supply unit is provided with an AC / DC converter, DC / DC and DC / AC inverter, and is used to control devices mounted on the unmanned aerial vehicle, sensors, motors, cameras, and other mounted devices. The most suitable power supply can be supplied.

(9)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、供給電力がスイッチング波形であることにより、AC/DCコンバータやDC/DCコンバータでのスイッチング波形を給電線から供給することで、給電線をコンバータの1部品として利用できる。   (9) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the supply power is a switching waveform, the switching waveform in the AC / DC converter or the DC / DC converter is supplied from the power supply line, so that the power supply line is provided. Can be used as one component of the converter.

(10)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、給電線のカットオフ周波数が、スイッチング波形のスイッチング周波数より高いことから、スイッチング波形の減衰量を少なくすることができる。   (10) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the cutoff frequency of the power supply line is higher than the switching frequency of the switching waveform, the amount of attenuation of the switching waveform can be reduced.

(11)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、給電線が、スイッチング波形のノイズ除去機能を備えていることから、給電線の周波数特性を利用して、スイッチングに伴って発生するノイズを減衰させている。   (11) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the power supply line has the function of removing noise of a switching waveform, noise generated by switching using the frequency characteristics of the power supply line. Is attenuated.

(12)本発明の有線給電型無人飛行体においては、スイッチング周波数に対応する波長は、給電線の長さの1/4である。給電線が長くなるとスイッチング周波数に伴う波長が無視できなくなり、給電線の特性インピーダンスと整合を取らなければならず、このために、スイッチング周波数の波長を、給電線の長さの1/4として整合させている。これにより、給電線がトランスとしての機能を備えることができる。   (12) In the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, the wavelength corresponding to the switching frequency is 4 of the length of the power supply line. If the feeder line becomes longer, the wavelength associated with the switching frequency cannot be ignored, and must be matched with the characteristic impedance of the feeder line. Therefore, the wavelength of the switching frequency is set to 1 / of the feeder line length. Let me. Thus, the power supply line can have a function as a transformer.

(13)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、スイッチング波形が、チョッパ回路の出力波形であることから、給電線をチッパ回路で生成されたスイッチング波形のノイズ除去用に利用できる。   (13) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the switching waveform is the output waveform of the chopper circuit, the power supply line can be used for removing noise of the switching waveform generated by the chipper circuit.

(14)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、スイッチング波形が、絶縁型コンバータのトランス出力波形であることから、トランスを利用することでノイズの発生を抑えることができる。
を特徴とする。
(14) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the switching waveform is the transformer output waveform of the insulated converter, noise can be suppressed by using a transformer.
It is characterized by.

(15)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、チョッパ回路又は絶縁型コンバータのスイッチング素子が、GaNトランジスタ又はSiCトランジスタからなる素子であることから、高周波数でのスイッチングが可能となり、小型で効率の良い給電回路とすることができる。   (15) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the switching element of the chopper circuit or the insulated converter is an element composed of a GaN transistor or a SiC transistor, switching at a high frequency becomes possible and the size is small. Thus, an efficient power supply circuit can be obtained.

(16)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、無人飛行体電源部には、平滑回路が設けられていることから、スイッチング波形を平滑化して、無人飛行体搭載機器への所望の電源に変換できる。   (16) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the unmanned aerial vehicle power supply unit is provided with the smoothing circuit, the switching waveform is smoothed to achieve a desired operation for the unmanned aerial vehicle mounted device. Can be converted to power.

(17)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、地上電源部は、車載電池を備えていることから、商用電源が利用できないところでも、EV(Electric Vehicle:電気自動車)やハイブリッド車等の車載電池により無人飛行体を飛行させることができる。   (17) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the ground power supply unit is equipped with an on-vehicle battery, even where commercial power is not available, an EV (Electric Vehicle), a hybrid vehicle, or the like is used. The unmanned aerial vehicle can be flown by the vehicle-mounted battery.

(18)本発明の有線給電型無人飛行体によれば、地上電源部は、エンジン発電機を備えていることから、商用電源が利用できないところでも、無人飛行体を飛行させることができる。   (18) According to the wire-powered unmanned aerial vehicle of the present invention, since the ground power supply unit includes the engine generator, the unmanned aerial vehicle can be flown even in a place where commercial power is not available.

本発明の実施形態に係る有線給電型無人飛行体を説明する概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a wire-powered unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention. 有線給電型無人飛行体の電源システムを説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the power supply system of a wire feeding type unmanned aerial vehicle. 低周波領域において単相交流電源40から給電線14に電力を給電する場合のモデル図である。FIG. 3 is a model diagram in a case where power is supplied from a single-phase AC power supply 40 to a power supply line 14 in a low frequency region. 低周波領域において三相交流電源42から給電線14に電力を給電する場合のモデル図である。FIG. 4 is a model diagram in a case where power is supplied from a three-phase AC power supply to a power supply line in a low frequency region. 三相交流電力が給電されている場合の負荷の結線状態と、相電圧、相電流の関係を説明する図である。It is a figure explaining the connection state of the load when three-phase alternating current power is supplied, and the relationship of a phase voltage and a phase current. 給電線14を単相3線式にした場合のモデル図である。FIG. 3 is a model diagram in a case where a power supply line 14 is a single-phase three-wire system. 銅線抵抗の周波数特性の一例を示す図である。It is a figure showing an example of the frequency characteristic of copper wire resistance. CVケーブルの周波数特性の一例を示す図である。It is a figure showing an example of the frequency characteristic of a CV cable. 給電線14を分布定数線路と見た場合のモデル図である。FIG. 4 is a model diagram when the power supply line 14 is viewed as a distributed constant line. 分布定数線路モデルの受端(z=0)に負荷インピーダンスZを接続した場合のモデル図である。It is a model diagram when connecting the load impedance Z L to the reception terminal (z = 0) of the distributed constant line model. 分布定数線路モデルの長さに対して、波長がλ/4の場合を示す図である。It is a figure which shows the case where a wavelength is (lambda) / 4 with respect to the length of a distributed constant line model. 商用電源の交流電源を使用した無人飛行体10に関する電源システムのブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a power supply system relating to the unmanned aerial vehicle using an AC power supply of a commercial power supply. 商用電源が、直接給電線14を介して伝送される場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit when commercial power is transmitted directly via a power supply line 14. 給電線14での損失を少なくするために、電源供給部22に昇圧部44、無人飛行体電源部24に降圧部46を設けた給電回路の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a power supply circuit in which a booster 44 is provided in a power supply unit 22 and a step-down unit 46 is provided in an unmanned aerial vehicle power supply unit 24 in order to reduce a loss in the power supply line 14. 交流電力を単相3線式で送電する場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit when AC power is transmitted in a single-phase three-wire system. 3相電力を、給電線14を介して送電するための給電回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit for transmitting three-phase power via a power supply line. 給電線14でスイッチング波形を伝送する場合の無人飛行体10に関する電源システムのブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a power supply system related to the unmanned aerial vehicle when transmitting a switching waveform via a power supply line. DC電源62をチョッパ回路60で、三相交流電源に変換して給電線14に送電する給電回路の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit that converts a DC power supply 62 into a three-phase AC power supply by a chopper circuit 60 and transmits the power to a power supply line 14. 降圧型DC/DCコンバータの回路構成を利用して、給電線14での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in a case where power transmission is performed on a power supply line using a circuit configuration of a step-down DC / DC converter. 図19(B)で示した電源供給部22の回路における寄生インダクタンス、寄生容量を考慮した等価回路を示す図である。FIG. 20 is a diagram illustrating an equivalent circuit in the circuit of the power supply unit 22 illustrated in FIG. 19B in consideration of a parasitic inductance and a parasitic capacitance. 非同期式昇圧型のDC/DCコンバータの回路構成を利用して、給電線14での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in a case where power transmission is performed on a power supply line 14 using a circuit configuration of an asynchronous step-up DC / DC converter. フライバック型DC/DCコンバータの回路構成を利用して、給電線14での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in a case where power transmission is performed on a power supply line using a circuit configuration of a flyback type DC / DC converter. フォワード型DC/DCコンバータの回路構成を利用して、給電線14での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in a case where power transmission is performed on a power supply line by using a circuit configuration of a forward DC / DC converter. フォワード型DC/DCコンバータの回路構成を利用しているが、トランスTを、給電線14で代用して電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in a case where power transmission is performed by using a power supply line 14 instead of a transformer T, using a circuit configuration of a forward DC / DC converter.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せをする様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the components in the present embodiment can be appropriately replaced with existing components and the like, and various variations can be made in combination with other existing components. Therefore, the description of the present embodiment does not limit the contents of the invention described in the claims.

一般にドローンと呼ばれている無人飛行体は、近年、さまざまな用途で使用されて来ている。しかし、一般的な無線ドローンには、電源としてリチウムイオン電池が使用されており、連続飛行時間が20分程度と短く、長時間飛行が必要とされる用途には向かなかった。このため、有線給電方式で長時間飛行を可能にする方式が採用されている。   Unmanned aerial vehicles generally called drones have been used in various applications in recent years. However, a typical wireless drone uses a lithium-ion battery as a power source, and its continuous flight time is as short as about 20 minutes, making it unsuitable for applications requiring long flight times. For this reason, a system that enables a long flight by a wired power supply system has been adopted.

従来の有線給電方式は、給電線を介してDC(直流)電圧を供給している。無人飛行体に搭載されている電子機器は、ほとんどがDC電圧で動作し、交流(AC)電圧を供給してもAC/DC変換する必要があるからである。しかしながら、DC電圧は給電線を介して供給されると損失が大きく、給電線が長くなった場合には、大きな問題となる。   The conventional wired power supply system supplies a DC (direct current) voltage via a power supply line. This is because most electronic devices mounted on unmanned aerial vehicles operate on DC voltage, and need to perform AC / DC conversion even when an alternating current (AC) voltage is supplied. However, when the DC voltage is supplied through the power supply line, the loss is large, and when the power supply line is long, a serious problem occurs.

無人飛行体での給電線を介するDC電圧の供給は、損失をカバーするため、例えば500V前後の高圧DC電圧を給電する方式が採用されているが、給電線の長さに限界があり、地上電源の位置からから無人飛行体を飛行させる範囲も限定されてしまう。   The supply of a DC voltage via a feed line in an unmanned aerial vehicle employs a method of feeding a high-voltage DC voltage of, for example, about 500 V to cover the loss, but the length of the feed line is limited, The range in which the unmanned aerial vehicle flies from the position of the power source is also limited.

無人飛行体は、飛行高度が制限されており、例えば日本では150m以下である。これは、航空法で、有人ヘリコプターが離着陸以外は、建物の密集地区では300m以上、それ以外の場所では150m以上で飛行しなければならない旨が規定されているためであり、航空機のための航空エリアは、飛行禁止空域とされているためである。このため飛行の高さだけを考えれば150mの給電線でもよいが、地上にある電源供給を行うベースステーションの近傍の飛行に限られてしまう。   The unmanned aerial vehicle has a limited flight altitude, for example, 150 m or less in Japan. This is because the Civil Aeronautics Law stipulates that manned helicopters must fly at least 300 m in densely populated areas except for takeoff and landing, and at least 150 m in other places. This is because the area is a no-fly area. For this reason, if only the height of the flight is considered, a power supply line of 150 m may be used, but the flight is limited to the flight near the ground-based power supply base station.

一方で、無人飛行体を無線で操縦する送信機の電波の送信距離は、2000〜3000mであり、水平方向の限界は規制されていないため、理論的には、2000〜3000mの給電線も必要とされてくる。例えば、台風や大雨により土砂崩れした堤防の決壊による浸水などは、長時間にわたり広範囲の調査、監視が必要であり、水平方向が2000〜3000m程度は、むしろ現実的に要求されている距離、即ち要求されている給電線の長さである。このため、給電線での損失の少ない交流電圧での給電が必須となる。   On the other hand, the transmission distance of the radio wave of the transmitter that wirelessly controls the unmanned aerial vehicle is 2000 to 3000 m, and the limit in the horizontal direction is not regulated. Therefore, theoretically, a power supply line of 2000 to 3000 m is necessary. It will be. For example, inundation due to a landslide caused by a landslide caused by a typhoon or heavy rain requires extensive investigation and monitoring over a long period of time, and a horizontal direction of about 2000 to 3000 m is rather a practically required distance. Is the length of the power feed line. For this reason, power supply with an AC voltage with little loss in the power supply line is indispensable.

図1は、本発明の実施形態に係る有線給電型無人飛行体を説明する概念図である。無人飛行体10と地上のベースステーション12には給電線14により接続されており、給電線14は、たるみ防止用の巻取部16が設けられている。無人飛行体10に電源を供給する地上電源部と、無人飛行体10のモータ及び電子機器へ電力を供給する無人飛行体電源部と、地上電源部と無人飛行体電源部とを接続する給電線14とを備え、地上電源部から給電線14を介して無人飛行体電源部へ供給する供給電力は、周期的な電圧又は電流波形を有する。地上電源部は、ベースステーション12に設けられており、無人飛行体電源部は、無人飛行体10に設けられている。   FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a wired-powered unmanned aerial vehicle according to an embodiment of the present invention. The unmanned aerial vehicle 10 and the ground-based base station 12 are connected by a power supply line 14, and the power supply line 14 is provided with a winding section 16 for preventing slack. A ground power supply for supplying power to the unmanned aerial vehicle 10, an unmanned aerial vehicle power supply for supplying a power to a motor and an electronic device of the unmanned aerial vehicle 10, and a power supply line connecting the ground power supply and the unmanned aerial vehicle power supply The power supplied from the ground power supply unit to the unmanned aerial vehicle power supply unit via the power supply line 14 has a periodic voltage or current waveform. The ground power supply unit is provided in the base station 12, and the unmanned aerial vehicle power supply unit is provided in the unmanned aerial vehicle 10.

ベースステーション12は、図1では車を例示的に示しているが、地上電源部を備えるスペースがあれば、屋外でも屋内でもよい。車をベースステーション12とした場合は、車載電池が利用される。また、地上電源部は、エンジン発電機を備えていてもよい。エンジンの回転により交流電力を発電するため、商用電源が利用できないところでも無人飛行体10を飛行させることができる。   Although the base station 12 exemplarily shows a car in FIG. 1, the base station 12 may be outdoors or indoors as long as there is a space having a ground power supply unit. When a car is used as the base station 12, a vehicle-mounted battery is used. Further, the ground power supply unit may include an engine generator. Since the AC power is generated by the rotation of the engine, the unmanned aerial vehicle 10 can fly even in a place where commercial power is not available.

給電線14を介して無人飛行体電源部へ伝送する周期的な電圧又は電流波形は、単相交流波形、三相交流波形、スイッチング波形である。なお、交流波形は正弦波であり、スイッチング波形は、DC電圧をスイッチング素子によってオン・オフした矩形波又は場合によっては三角波である。単相交流波形により単相交流電力が供給され、三相交流波形により三相交流電力が供給される。また、スイッチング波形によりオン・オフされた電圧又は電流が供給される。   The periodic voltage or current waveform transmitted to the unmanned aerial vehicle power supply unit via the power supply line 14 is a single-phase AC waveform, a three-phase AC waveform, or a switching waveform. The AC waveform is a sine wave, and the switching waveform is a rectangular wave in which a DC voltage is turned on / off by a switching element, or a triangular wave in some cases. Single-phase AC power is supplied by a single-phase AC waveform, and three-phase AC power is supplied by a three-phase AC waveform. Further, a voltage or a current turned on / off by the switching waveform is supplied.

本発明において、給電線14でのスイッチング波形の伝送は、各種DC/DCコンバータやAC/DCコンバータの基本回路構成を利用している。スイッチング電源は、ある周波数でDC電圧をスイッチングして安定化電源を構成しているが、このスイッチング電源の基本回路を利用して、無人飛行体10へ有線給電するための給電回路の構成としたことを特徴としている。給電線14を介して伝送されたスイッチング波形は、無人飛行体10で平滑化され、安定化電源により要求される電圧に変換される。   In the present invention, the transmission of the switching waveform on the power supply line 14 utilizes the basic circuit configuration of various DC / DC converters and AC / DC converters. The switching power supply forms a stabilized power supply by switching a DC voltage at a certain frequency. By using a basic circuit of the switching power supply, a power supply circuit for wired power supply to the unmanned aerial vehicle 10 is provided. It is characterized by: The switching waveform transmitted via the feed line 14 is smoothed by the unmanned aerial vehicle 10 and converted into a voltage required by the stabilized power supply.

単相交流電力又は三相交流電力は、商用電源からの交流電力が使用できる。三相交流電力は単相交流電力から変換してもよい。   As the single-phase AC power or the three-phase AC power, AC power from a commercial power supply can be used. Three-phase AC power may be converted from single-phase AC power.

図2は、有線給電型無人飛行体の電源システムを説明するブロック図である。無人飛行体10には、受信機28、フライト制御部26、ESC(Electric Speed Controller)36、モータ34、機器制御部30、搭載機器32、センサ38と無人飛行体電源部24がある。ベースステーション12には、地上電源部20に電源供給部22があり、給電線14を介して無人飛行体10に電源を供給している。給電線14は、巻取部16で巻き取り可能に構成されており、巻取部16は、ベースステーション12と無人飛行体10との距離に応じて給電線14の長さを調整している。無人飛行体10のフライトと搭載機器32の制御は、地上からのプロポ送信機18により無線で電波の送信によって行わる。また、プロポ送信機18を、有線で給電線14と共に無人飛行体10に接続してもよい。これらの動作は、操縦者がプロポ送信機18により操縦して行われている。   FIG. 2 is a block diagram illustrating a power supply system for a wire-powered unmanned aerial vehicle. The unmanned aerial vehicle 10 includes a receiver 28, a flight control unit 26, an ESC (Electric Speed Controller) 36, a motor 34, a device control unit 30, an on-board device 32, a sensor 38, and an unmanned aerial vehicle power supply unit 24. The base station 12 includes a power supply unit 22 on a ground power supply unit 20, and supplies power to the unmanned aerial vehicle 10 via a power supply line 14. The power supply line 14 is configured to be windable by a winding unit 16, and the winding unit 16 adjusts the length of the power supply line 14 according to the distance between the base station 12 and the unmanned aerial vehicle 10. . The flight of the unmanned aerial vehicle 10 and the control of the on-board equipment 32 are performed by radio transmission of radio waves by the radio transmitter 18 from the ground. Further, the transmitter transmitter 18 may be connected to the unmanned aerial vehicle 10 together with the power supply line 14 by wire. These operations are performed by the pilot using the transmitter transmitter 18.

無人飛行体10は、4枚羽のクアッドコプター、6枚羽のヘキサコプター、8枚羽のオクトコプタ等があり、プロペラ(羽)は、モータ34により回転される。無人飛行体10のホバリングや、前進後退は、プロペラの回転数を調整して行われる。例えば、前方方向のプロペラの回転数を少なくすると前進する。プロペラ部分の、角度を調整できる機種もある。   The unmanned aerial vehicle 10 includes four quadcopters, six hexacopters, eight octocopters, and the like. The propeller (wing) is rotated by a motor 34. Hovering and forward / backward movement of the unmanned aerial vehicle 10 are performed by adjusting the rotation speed of the propeller. For example, when the rotational speed of the propeller in the forward direction is reduced, the propeller moves forward. Some models can adjust the angle of the propeller.

プロポ(プロポーショナルコントロールシステム)18で、上昇下降や前進後退の操作を行うと、無線で無人飛行体に電波が送信され、無人飛行体10にある受信機28で受信する。受信機28からの命令を受けたフライト制御部26では、傾きや角度、加速度など様々な情報を検知するセンサ38の情報を基にして演算処理を行い、各モータ34にどのような回転をさせるかを決める。センサ38は、ジャイロセンサが多く使用されている。フライト制御部26からの命令を受けたESC36では、命令に応じてモータ34を回転させる。センサ38には、GPS(Global Positioning System)や気圧などの検知を含んでもよい。   When an ascent / descent or forward / backward operation is performed by a propo (proportional control system) 18, radio waves are transmitted to the unmanned aerial vehicle wirelessly and received by the receiver 28 in the unmanned aerial vehicle 10. The flight control unit 26 that has received the command from the receiver 28 performs arithmetic processing based on information from a sensor 38 that detects various information such as tilt, angle, and acceleration, and what kind of rotation each motor 34 causes. Decide. As the sensor 38, a gyro sensor is often used. The ESC 36 receiving the command from the flight control unit 26 rotates the motor 34 according to the command. The sensor 38 may include detection of GPS (Global Positioning System), atmospheric pressure, and the like.

無人飛行体10は、その飛行目的によって、様々な機器が搭載されている。例えば空撮目的なら、搭載機器32はカメラである。荷物を運搬する目的なら荷台となる。この搭載機器を制御するのが機器制御部30である。搭載機器32がカメラの場合は、カメラで撮影された映像信号が機器制御部30から受信機28を介してプロポ18に送られる。この場合には、受信機28とプロポ18は、送受信可能な機能を備えている。さらに、プロポ18には、映像信号を格納する記憶部が備えられている。勿論、パソコン等と接続して、映像信号を記憶してもよい。送受信の電波は、日本では2.4GHz帯が使用されている。   The unmanned aerial vehicle 10 is equipped with various devices depending on the purpose of the flight. For example, for aerial photography purposes, the mounted device 32 is a camera. It is a carrier for carrying luggage. The device control unit 30 controls the mounted device. When the mounted device 32 is a camera, a video signal captured by the camera is sent from the device control unit 30 to the transmitter 18 via the receiver 28. In this case, the receiver 28 and the transmitter 18 have a function capable of transmitting and receiving. Further, the transmitter 18 is provided with a storage unit for storing a video signal. Of course, the video signal may be stored by connecting to a personal computer or the like. For transmission and reception, 2.4 GHz band is used in Japan.

無人飛行体10のモータには、主に三相ブラシレスDCモータ(以下、ブラシレスモータと略す。)が使用されている。ブラシレスモータには、ローターの位置検出用の磁気素子または、光学式のエンコーダが内蔵されている。この位置検出器によりESC36へ信号を送る。モータ巻線は、3相Y結線である。また、ローターには永久磁石が使用され、検出用の磁気素子には、ホールICが使用されている。モータ巻線にはスイッチング素子が接続されており、インバータを構成している。   As a motor of the unmanned aerial vehicle 10, a three-phase brushless DC motor (hereinafter, abbreviated as a brushless motor) is mainly used. The brushless motor has a built-in magnetic element for detecting the position of the rotor or an optical encoder. A signal is sent to the ESC 36 by this position detector. The motor winding is a three-phase Y-connection. Further, a permanent magnet is used for the rotor, and a Hall IC is used for the magnetic element for detection. A switching element is connected to the motor winding to constitute an inverter.

無人飛行体電源部24は、無人飛行体10に搭載されている電気的に動作する全ての装置に電源を供給している。モータ34が、ブラシレスモータなら位相を120度ずらした三相交流電圧又は三相交流電流を供給し、フライト制御部26や機器制御部30は、CPU、論理回路やROM等から構成されているため、論理回路用の電圧が供給される。さらに、受信機28、搭載機器32及びセンサ38にも、それぞれに適合した電圧や電流が供給される。   The unmanned aerial vehicle power supply unit 24 supplies power to all electrically operated devices mounted on the unmanned aerial vehicle 10. If the motor 34 is a brushless motor, it supplies a three-phase AC voltage or a three-phase AC current whose phase is shifted by 120 degrees, and the flight control unit 26 and the device control unit 30 are configured by a CPU, a logic circuit, a ROM, and the like. , A voltage for the logic circuit is supplied. Further, the receiver 28, the on-board device 32, and the sensor 38 are also supplied with voltages and currents suitable for each.

地上電源部20には電源供給部22があり、給電線14を介して無人飛行体10の無人飛行体電源部24へ電源を供給する。給電線14は、巻取部24で長さ調整されて弛みを防止している。無人飛行体電源部24では、この供給電源は一旦DC電圧に変換され、さらに、無人飛行体10の各装置に適合した電圧に変換され、供給される。   The ground power supply unit 20 includes a power supply unit 22 that supplies power to the unmanned aerial vehicle power supply unit 24 of the unmanned aerial vehicle 10 via the power supply line 14. The length of the power supply line 14 is adjusted by the winding unit 24 to prevent slack. In the unmanned aerial vehicle power supply unit 24, the supply power is once converted into a DC voltage, and further converted into a voltage suitable for each device of the unmanned aerial vehicle 10, and supplied.

本発明は、電源供給部22からの供給電力が周期的な電圧又は電流波形を有することを特徴としている。周期的とは、一定の周波数を持った波形の意味である。一般に、周波数を持った波形の伝送は、給電線14の長さに依存した特性インピーダンスを考慮する必要がある。   The present invention is characterized in that the power supplied from the power supply unit 22 has a periodic voltage or current waveform. The term “periodic” means a waveform having a constant frequency. In general, transmission of a waveform having a frequency requires consideration of a characteristic impedance depending on the length of the power supply line 14.

特性インピーダンスは、周波数に依存して変わり、給電線14の長さよりも十分に大きい低周波領域では、波長の影響は受けず、波形が無人飛行体電源部24に同相で到達し、給電線14は、集中定数回路として考えられる。周波数が高くなると、集中定数回路ではあっても、給電線14の周波数特性を考慮しなければならない。さらに周波数が高い高周波領域では、定在波の影響が無視できず、反射波を考慮し、インピーダンス整合を取る必要がある。   The characteristic impedance changes depending on the frequency. In a low-frequency region that is sufficiently larger than the length of the feed line 14, the characteristic impedance is not affected by the wavelength, and the waveform reaches the unmanned aerial vehicle power supply unit 24 in the same phase. Can be considered as a lumped constant circuit. When the frequency increases, the frequency characteristics of the feeder line 14 must be taken into consideration even in a lumped circuit. Further, in a high frequency region where the frequency is higher, the effect of the standing wave cannot be ignored, and it is necessary to consider the reflected wave and to perform impedance matching.

給電線14の長さは、例えば高さ150mをカバーするだけなら150mでよいが、水平方向の移動を考えると、最長で2000〜3000mの長さが必要である。   The length of the power supply line 14 may be 150 m, for example, if it covers only a height of 150 m. However, considering horizontal movement, a length of 2000 to 3000 m is required at the maximum.

周波数をf、波長をλとすると、光速は3×10m/sだから、f=3×10/λとなる。定在波を考慮し、λ/4でのインピーダンス整合を考えると、給電線14の長さが150mの場合は、f=3×10/(150×4)=500kHzである。給電線14の長さが3000mの場合は、同様な計算で25kHzとなる。 If the frequency is f and the wavelength is λ, the speed of light is 3 × 10 8 m / s, so that f = 3 × 10 8 / λ. In consideration of the standing wave and impedance matching at λ / 4, when the length of the feed line 14 is 150 m, f = 3 × 10 8 / (150 × 4) = 500 kHz. In the case where the length of the power supply line 14 is 3000 m, a similar calculation results in 25 kHz.

従って、給電線14を介した交流送電の場合は、周波数fと給電線14の長さは極めて密接な関係にあり、給電線14の長さに対して波長λが十分に長く、集中定数回路で考えられる低周波領域と、集中定数回路で考えられるが給電線14の周波数特性を考慮しなければならない中周波領域と、定在波の存在を考慮しなければならない高周波領域とに分けて考えなければならない。この周波数に適合した給電をすることにより、効率的な給電を行うことができる。以下に、低周波領域、中周波領域及び高周波領域における周波数と給電線の特性について説明する。   Therefore, in the case of AC power transmission via the feed line 14, the frequency f and the length of the feed line 14 are in a very close relationship, the wavelength λ is sufficiently long with respect to the length of the feed line 14, and the lumped constant circuit , A medium-frequency region that can be considered in a lumped-constant circuit but in which the frequency characteristics of the feed line 14 must be considered, and a high-frequency region in which the presence of a standing wave must be considered. There must be. By supplying power in conformity with this frequency, efficient power supply can be performed. Hereinafter, the characteristics of the power supply line and the frequency in the low frequency region, the medium frequency region, and the high frequency region will be described.

低周波領域は、給電線14の長さに対して交流波形の波長が十分に長い場合の周波数領域である。例えば、商用交流電源を送電する場合は、周波数が50又は60Hzであり、周波数を50Hzとすると波長λは6×10mである。給電線14の長さが3000mの場合であっても波長λは十分に長く、給電線14は集中定数回路として考えることができる。 The low-frequency region is a frequency region when the wavelength of the AC waveform is sufficiently long with respect to the length of the feed line 14. For example, when transmitting a commercial AC power supply, the frequency is 50 or 60 Hz, and when the frequency is 50 Hz, the wavelength λ is 6 × 10 6 m. Even when the length of the feed line 14 is 3000 m, the wavelength λ is sufficiently long, and the feed line 14 can be considered as a lumped constant circuit.

図3は、低周波領域において単相交流電源40から給電線14に電力を給電する場合のモデル図である。電源供給部22における単相交流電源40から給電線14を介して無人飛行体電源部24に単相交流電力が給電されている。給電線14の給電線等価抵抗をRとする。単相交流電源40の電圧をV、給電線14に流れる電流をIとすると、損失電力Wlosは次式となる。
los=RI ・・・・(1)
(1)式より、給電線等価抵抗Rは一定であるから、電流Iが小さいほど損失電力は少なくなる。同じ電力Wを給電するなら、W=V・Iであり、電圧が高いほど電流は少なくなるので、給電線14への給電は高電圧ほど電力損失が少なくなる。
FIG. 3 is a model diagram in a case where power is supplied from the single-phase AC power supply 40 to the power supply line 14 in a low frequency region. Single-phase AC power is supplied from the single-phase AC power supply 40 in the power supply unit 22 to the unmanned aerial vehicle power supply unit 24 via the power supply line 14. Let R be the feed line equivalent resistance of the feed line 14. Assuming that the voltage of the single-phase AC power supply 40 is V and the current flowing through the power supply line 14 is I, the loss power W los is expressed by the following equation.
W los = RI 2 (1)
From equation (1), since the feeder line equivalent resistance R is constant, the smaller the current I, the smaller the power loss. If the same power W is supplied, W = VI, and the higher the voltage is, the smaller the current is. Therefore, the higher the voltage of the power supply line 14 is, the smaller the power loss is.

図4は、低周波領域において三相交流電源42から給電線14に電力を給電する場合のモデル図である。電源供給部22における三相交流電源42から給電線14を介して無人飛行体電源部24に三相交流電力が給電されている。三相交流電源42での給電の場合は、負荷の結線状態、即ち、Y結線かΔ結線かで、負荷の相電圧と相電流が変わる。   FIG. 4 is a model diagram in a case where power is supplied from the three-phase AC power supply 42 to the power supply line 14 in a low frequency region. Three-phase AC power is supplied from the three-phase AC power supply 42 in the power supply unit 22 to the unmanned aerial vehicle power supply unit 24 via the power supply line 14. In the case of power supply by the three-phase AC power supply 42, the phase voltage and the phase current of the load change depending on the connection state of the load, that is, the Y connection or the Δ connection.

図5は、三相交流電力が給電されている場合の負荷の結線状態と、相電圧、相電流の関係を説明する図である。図5(A)は、負荷ZがY結線の場合の図である。Y結線では相電流は給電線14に流れる電流Iと同じであるが、相電圧が線間電圧Vの1/31/2となる。図5(B)は、負荷ZがΔ結線の場合の図である。Δ結線では相電圧は給電線14の線間電圧Vと同じであるが、負荷Zに流れる電流Iは、1/31/2となる。従って、三相の場合は、相電力の総和が三相で供給される電力となるから、負荷ZがY結線であっても負荷ZがΔ結線であっても、三相での供給電力は31/2V・Iとなり、単相交流電力の31/2倍の電力が得られる。このため、給電線14へは、単相交流電力よりも三相交流電力を給電した方が有利である。 FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the connection state of the load, the phase voltage, and the phase current when three-phase AC power is supplied. FIG. 5A is a diagram in the case where the load Z is Y-connected. In the Y connection, the phase current is the same as the current I flowing through the power supply line 14, but the phase voltage is 1/3 1/2 of the line voltage V. FIG. 5B is a diagram in the case where the load Z has a Δ connection. In the [Delta] connection, the phase voltage is the same as the line voltage V of the power supply line 14, but the current I flowing through the load Z is 1/3 1/2 . Therefore, in the case of three phases, the sum of the phase powers is the power supplied in three phases, and therefore, even if the load Z is Y-connected or the load Z is Δ-connected, the supplied power in three phases is 3 1/2 V · I, and 31/2 times the power of the single-phase AC power can be obtained. Therefore, it is more advantageous to supply three-phase AC power to the power supply line 14 than to single-phase AC power.

図6は、給電線14を単相3線式にした場合のモデル図である。単相3線式は、中性線を接地して、上下の給電線14に、電源供給部22から単相交流電力を無人飛行体電源部24に供給する方式である。単相3線式の場合は、給電線14に給電線等価抵抗をR、給電線14に流れる電流をI、負荷Zでの電圧をVとすると、単相3線式では3本の上中下の線のうち、中の線には基本的に電流が流れない(打ち消されてゼロとなる)ので、給電線14で失われる損失電力Wlosは、上下の線に負荷が接続できるから、Wlos=2R・Iとなる。また、負荷で消費される電力Wは、W=2V・Iとなる。図3で示した単相2線式の場合に対して、電流Iは2倍となるため、負荷に供給する電力及び給電線での電力損失を単相2線式と同じとすると、単相3線式では給電線等価抵抗Rが1/4となる。 FIG. 6 is a model diagram when the power supply line 14 is a single-phase three-wire system. The single-phase three-wire system is a system in which a neutral wire is grounded, and single-phase AC power is supplied to the upper and lower power supply lines 14 from the power supply unit 22 to the unmanned aerial vehicle power supply unit 24. In the case of the single-phase three-wire system, assuming that the power supply line equivalent resistance is R, the current flowing through the power supply line 14 is I, and the voltage at the load Z is V, the three-phase three-wire system is the single-phase three-wire system. Since current does not basically flow (cancels to zero) in the middle line among the lower lines, the loss power W los lost in the power supply line 14 is equal to the load connected to the upper and lower lines. W los = 2R · I 2 . The power W Z consumed by the load becomes W Z = 2V · I. Since the current I is twice as large as that of the single-phase two-wire system shown in FIG. 3, if the power supplied to the load and the power loss in the power supply line are the same as the single-phase two-wire system, In the three-wire system, the feed line equivalent resistance R is 1 /.

給電線14の給電線等価抵抗Rは、給電線14の断面積に反比例するから、単相3線式の給電線14の直径は、単相2線式の場合の半分でよいことになり、軽量化が図れる。   Since the feeder line equivalent resistance R of the feeder line 14 is inversely proportional to the cross-sectional area of the feeder line 14, the diameter of the single-phase three-wire feeder line 14 may be half that of the single-phase two-wire type. The weight can be reduced.

低周波領域においては、給電線14の給電線等価抵抗Rを考慮した給電を行なえばよく、主に周波数が50〜60Hzでの商用電源について説明したが、まとめると以下のようになる。
(1)電圧は高い方が給電線14での損失電力Wlosが少ない。
(2)単相交流電力より三相交流電力の方が、損失電力Wlosは少ない。
(3)単相交流電力の給電は、単相2線式より単相3線式の方が損失電力Wlosは少なく、給電線の軽量化が図れる。
In the low frequency region, power supply may be performed in consideration of the power supply line equivalent resistance R of the power supply line 14, and a description has been given mainly of a commercial power supply having a frequency of 50 to 60 Hz.
(1) The higher the voltage is, the smaller the loss power W los in the power supply line 14 is.
(2) The loss power W los is smaller in three-phase AC power than in single-phase AC power.
(3) As for power supply of single-phase AC power, a single-phase three-wire system has less power loss W los than a single-phase two-wire system, and the power supply line can be reduced in weight.

次に、中周波領域での給電について説明する。中周波領域は、電源供給部でのスイッチング周波数fが、給電線14の周波数特性を考慮しなければならない周波数領域を対象としている。スイッチング波形は、DC電圧をスイッチング素子によりオン・オフして生成されている。これにより、スイッチング波形を供給電源としている。 Next, power supply in the medium frequency region will be described. Medium frequency region, the switching frequency f s of the power supply unit is directed to a frequency range to be considered a frequency characteristic of the feed line 14. The switching waveform is generated by turning on and off a DC voltage by a switching element. Thus, the switching waveform is used as the power supply.

例えば給電線14としてCVケーブルを使用したとする。CVケーブルは、導体を架橋橋ポリエチレンで被覆し、その外周をビニルシースで被覆したケーブルである。導体に銅線を使用したとすると、表皮効果等により周波数が高くなると抵抗も高くなる。   For example, assume that a CV cable is used as the power supply line 14. A CV cable is a cable in which a conductor is covered with a cross-linked polyethylene and the outer periphery is covered with a vinyl sheath. If a copper wire is used for the conductor, the resistance increases as the frequency increases due to a skin effect or the like.

図7は、銅線抵抗の周波数特性の一例を示す図である。図示した例では、10kHzを超えると、表皮効果や、複数のより線による近接効果により抵抗が高くなる。さらに線間の等価容量も加わり、周波数が高くなるとCVケーブルでの減衰量が大きくなる。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a frequency characteristic of the copper wire resistance. In the illustrated example, when the frequency exceeds 10 kHz, the resistance increases due to the skin effect and the proximity effect of a plurality of strands. In addition, the equivalent capacitance between the lines is added, and as the frequency increases, the attenuation in the CV cable increases.

図8は、CVケーブルの周波数特性の一例を示す図である。図示した例では、10kHzを超えると減衰量が大きくなっている。中周波領域では、この周波数特性を利用して電源設計を行う。3dB減衰するカットオフ周波数をfとすると、カットオフ周波数fは、スイッチング周波数fよりも高いことが必要とされる。逆の見方をすれば、カットオフ周波数よりも低い周波数をスイッチング周波数領域として、スイッチング周波数fを、スイッチング周波数領域に含まれる周波数で設計することが必要である。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the frequency characteristics of the CV cable. In the illustrated example, the attenuation increases when the frequency exceeds 10 kHz. In the medium frequency region, the power supply is designed using this frequency characteristic. When the cut-off frequency of 3dB attenuation and f c, the cutoff frequency f c is higher it is necessary than the switching frequency f s. If the opposite view, a frequency lower than the cut-off frequency as the switching frequency range, the switching frequency f s, it is necessary to design at a frequency included in the switching frequency range.

図8に示した周波数特性では、100kHzを超えると減衰量は20dB以上となるため、スイッチング波形は立ち上がり・立ち下がりが緩やかになる。これはノイズを除去するには好適である。スイッチング電源は、使用する電子部品や半導体部品を配線パターンで接続して回路を構成しているが、ノイズは、スイッチング素子のオフ時に発生するサージ/リンギング電圧や、配線パターンの寄生インダクタンスとスイッチング素子の寄生容量による共振周波数として発生している。ノイズの共振周波数は、一般のスイッチング電源では、配線パターンは短く、数MHz以上である。従って、周波数特性で減衰量が十分に大きい周波数領域にノイズの周波数が存在することとなり、給電線14の周波数特性をノイズ除去機能として利用することができる。   In the frequency characteristic shown in FIG. 8, since the attenuation amount becomes 20 dB or more when the frequency exceeds 100 kHz, the rising and falling of the switching waveform becomes gentle. This is suitable for removing noise. A switching power supply forms a circuit by connecting electronic components and semiconductor components to be used with a wiring pattern. Noise is generated by a surge / ringing voltage generated when the switching element is turned off, a parasitic inductance of the wiring pattern and a switching element. Is generated as a resonance frequency due to the parasitic capacitance of. In a general switching power supply, the resonance frequency of the noise has a short wiring pattern and is several MHz or more. Therefore, the noise frequency exists in a frequency region where the attenuation is sufficiently large in the frequency characteristic, and the frequency characteristic of the power supply line 14 can be used as a noise removing function.

電源供給部は、スイッチング周波数fを高くすることにより、使用するコンデンサのキャパシタ、コイルやトランスのインダクタンスを小さくできるため、電子部品を小型化できる。しかしながら、スイッチング周波数fを高くすれば、波長λが短くなり、給電線14の長さが無視できなくなる。この周波数領域を高周波領域とする。高周波領域での給電線14には、例えばメタルLANケーブルを使用する。 Power supply unit, by increasing the switching frequency f s, since it reduced the capacitor of the capacitor to be used, the coil or transformer inductance can be miniaturized electronic components. However, by increasing the switching frequency f s, the wavelength λ is shortened and the length of the feed line 14 can not be ignored. This frequency region is defined as a high frequency region. For example, a metal LAN cable is used for the power supply line 14 in the high frequency range.

高周波領域では、給電線14は集中定数回路理論によって取り扱うことはできないため,電磁界理論もしくは分布定数回路理論の利用が必要である。給電線14での電磁界は様々な電磁界姿態(モード)の重ね合わせとして表現される。給電線14での電圧・電流の進行波・反射波の分布,それにともなう定在波の様子などは、分布定数線路理論による。給電線14に存在する各モードの伝搬定数及び波動インピーダンスを分布定数線路の伝搬定数及び特性インピーダンスに対応させることによって,各モードの波動的な性質を抽出することも可能となる。   In the high-frequency region, the power supply line 14 cannot be handled by the lumped-constant circuit theory. Therefore, it is necessary to use the electromagnetic field theory or the distributed constant circuit theory. The electromagnetic field on the feed line 14 is expressed as a superposition of various electromagnetic field modes. The distribution of the traveling wave and the reflected wave of the voltage / current in the feed line 14 and the state of the standing wave accompanying the distribution are based on the distributed constant line theory. By associating the propagation constant and the wave impedance of each mode present in the feeder line 14 with the propagation constant and the characteristic impedance of the distributed constant line, it is also possible to extract the wave property of each mode.

給電線14に存在可能なモードはいくつかあるが,その中で最も基本的なモードはTEMである。TEMモードとは,電界及び磁界とも電磁波の伝搬方向に垂直な断面内にのみ存在するモードである。TEMモードのカットオフ周波数は0である。言い換えれば,TEMモードが存在可能であるとき,すべての周波数でTEMモードは伝搬可能である。一般に二つ以上の導体が存在するような伝送線路、即ち給電線14においてTEMモードは存在する。   There are several modes that can exist in the feed line 14, and the most basic mode among them is the TEM. The TEM mode is a mode in which both the electric field and the magnetic field exist only in a section perpendicular to the propagation direction of the electromagnetic wave. The cutoff frequency in the TEM mode is 0. In other words, when a TEM mode can exist, it can propagate at all frequencies. In general, a TEM mode exists in a transmission line in which there are two or more conductors, that is, the feed line 14.

図9は、給電線14を分布定数線路と見た場合のモデル図である。図9(A)は、給電線14の分布定数線路モデルを示している。図9(B)は、分布定数線路モデルの一次定数集中定数回路モデルを示している。伝搬方向をz軸の正の方向とするとき,給電線14の微小区間Δzを集中定数により表現したものである。図9のR、L、G,Cは次のように定義される。
R:単位長当たりの直列抵抗
L:単位長当たりの直列インダクタンス
G:単位長当たりの分路コンダクタンス
C:単位長当たりの分路容量
FIG. 9 is a model diagram when the power supply line 14 is viewed as a distributed constant line. FIG. 9A shows a distributed constant line model of the feed line 14. FIG. 9B illustrates a first-order lumped-constant circuit model of the distributed-constant line model. When the propagation direction is the positive direction of the z-axis, the minute section Δz of the feed line 14 is represented by a lumped constant. R, L, G, and C in FIG. 9 are defined as follows.
R: Series resistance per unit length L: Series inductance per unit length G: Shunt conductance per unit length C: Shunt capacitance per unit length

このとき,特性インピーダンスZ,伝搬定数γは次式で与えられる。
={(R+jωL)/(G+jωC)}1/2 ・・・(2)
γ={(R+jωL)(G+jωC)}1/2 ・・・・(3)
At this time, the characteristic impedance Z 0 and the propagation constant γ are given by the following equations.
Z 0 = {(R + jωL) / (G + jωC)} 1/2 (2)
γ = {(R + jωL) (G + jωC)} 1/2 (3)

図10は、分布定数線路モデルの受端(z=0)に負荷インピーダンスZを接続した場合のモデル図である。受端(z=0)に負荷インピーダンスZが接続されているとき,受端における反射係数Γは次式で表される。
Γ=(Z−Z)/(Z+Z) ・・・(4)
Figure 10 is a model diagram when connecting the load impedance Z L to the reception terminal (z = 0) of the distributed constant line model. When reception terminal the (z = 0) to the load impedance Z L is connected, the reflection coefficient at the reception terminal Γ is expressed by the following equation.
Γ = (Z L -Z 0) / (Z L + Z 0) ··· (4)

給電線が無損失線路だとすると、実際に負荷Zに伝達される電力Wは、入力電力をWinとして次式で与えられる。
=(1−|Γ|)Win ・・・(5)
If the feed line is that it is lossless line, the power W L transmitted actually to the load Z L is given by the following equation input power as W in.
W L = (1− | Γ | 2 ) W in (5)

Γ=0のとき、負荷インピーダンスZは分布定数線路モデルの特性インピーダンスに等しい。このとき、受端において反射が生じず、負荷と分布定数線路モデルは整合がとれているという。受端における反射係数Γが0でない場合(Γ≠0)、伝送線路(給電線14)内には受端から入射端に戻る反射波が存在する.この反射波が入射波と干渉することによって、定在波が発生する。このとき,分布定数線路モデル内における電圧の最小値Vminに対する電圧の最大値Vmaxの比を電圧定在波比(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)と呼ぶ。 When gamma = 0, the load impedance Z L is equal to the characteristic impedance of the distributed constant line model. At this time, no reflection occurs at the receiving end, and the load and the distributed constant line model are said to be matched. When the reflection coefficient に お け る at the receiving end is not 0 (Γ ≠ 0), a reflected wave returning from the receiving end to the incident end exists in the transmission line (feeding line 14). The reflected wave interferes with the incident wave to generate a standing wave. At this time, the ratio of the maximum value V max of the voltage to the minimum value V min of the voltage in the distributed constant line model is referred to as a voltage standing wave ratio (VSWR: Voltage Standing Wave Ratio).

VSWRが1であるとき、分布定数線路モデル内には定在波が生じない。隣り合う最大電圧間もしくは最小電圧間の距離はλ/2であり、最大電圧と最小電圧の間の距離はλ/4である。   When VSWR is 1, no standing wave occurs in the distributed constant line model. The distance between adjacent maximum or minimum voltages is λ / 2, and the distance between the maximum and minimum voltages is λ / 4.

図11は、分布定数線路モデルの長さに対して、波長がλ/4の場合を示す図である。この場合、入力インピーダンスZinは、Zin=Z /Zとなり、負荷インピーダンスZを逆数に変換する。このとき、電源電圧をVinとすると、負荷の電圧Vと電流Iは以下のようになる。
=Vin・Z/(jZ) ・・・(6)
=Vin/(jZ) ・・・(7)
FIG. 11 is a diagram illustrating a case where the wavelength is λ / 4 with respect to the length of the distributed constant line model. In this case, the input impedance Z in is converted Z in = Z 0 2 / Z L, and the load impedance Z L to the inverse. At this time, when the power supply voltage and V in, the voltage V L and the current I L in the load is as follows.
V L = V in · Z L / (jZ 0 ) (6)
I L = V in / (jZ 0) ··· (7)

上式より、給電線14の長さが、スイッチング周波数fの波長λの1/4であるときは、インピーダンスが純抵抗となり、給電線14のインピーダンス以上の負荷インピーダンスZを接続したときは、負荷側の電圧が上がる。このため、給電線14により、昇圧トランスを形成することができる。例えば、Z=50ΩでZ=100Ωのとき電圧は2倍となり、Z=50ΩでZ=1000Ωのとき電圧は20倍となる。このとき、ノイズはインピーダンス整合が取れないため、反射波により減衰する。従って、効率の良い電力の供給が可能となる。 From the above equation, the length of the feed line 14, when a quarter of the wavelength λ of the switching frequency f s, the impedance is a pure resistance, when connecting the load impedance Z L described above impedance of the feed line 14 , The voltage on the load side rises. Therefore, a boosting transformer can be formed by the power supply line 14. For example, when Z 0 = 50Ω and Z L = 100Ω, the voltage doubles, and when Z 0 = 50Ω and Z L = 1000Ω, the voltage doubles. At this time, since noise cannot be impedance-matched, it is attenuated by reflected waves. Therefore, efficient power supply becomes possible.

次に、無人飛行体10に関する電源システムについて説明する。   Next, a power supply system for the unmanned aerial vehicle 10 will be described.

図12は、商用電源の交流電源を使用した無人飛行体10に関する電源システムのブロック図である。地上にある電源供給部22には、商用電源をコンセントで引き込んだ交流電源40と、交流電源40を昇圧する昇圧部44がある。交流電源40は、商用電源が利用できない場合は、ディーゼル発電機等の発電装置を利用してもよい。電源供給部22からの電力は、給電線14を介して無人飛行体10へ伝送される。   FIG. 12 is a block diagram of a power supply system for the unmanned aerial vehicle 10 using an AC power supply of a commercial power supply. The power supply unit 22 on the ground includes an AC power supply 40 that draws commercial power through an outlet, and a booster 44 that boosts the AC power supply 40. When a commercial power supply cannot be used, the AC power supply 40 may use a power generator such as a diesel generator. Electric power from the power supply unit 22 is transmitted to the unmanned aerial vehicle 10 via the power supply line 14.

無人飛行体10には無人飛行体電源部24が備えられている。無人飛行体電源部24においては、給電線14で伝送された電力は、降圧部46で降圧され、整流ブリッジ48と平滑回路50によりDC電圧に変換される。変換されたDC電圧は、DC/DCコンバータ52により、受信機28、フライト制御回路26、機器制御回路30、搭載装置32やセンサ38に対して適合した電圧に変換され、供給される。無人飛行体10のプロペラを回転させるのは、例えば三相ブラシレスDCモータである。三相ブラシレスDCモータは、DC/ACインバータ54により三相に変換されたモータドライブ波形と、ESC36により回転が制御される。三相ブラシレスDCモータによりプロペラが回転するから、三相ブラシレスDCモータの制御により無人飛行体10が操縦される。   The unmanned aerial vehicle 10 is provided with an unmanned aerial vehicle power supply unit 24. In the unmanned aerial vehicle power supply unit 24, the power transmitted through the power supply line 14 is stepped down by the step-down unit 46, and is converted into a DC voltage by the rectifying bridge 48 and the smoothing circuit 50. The converted DC voltage is converted by a DC / DC converter 52 into a voltage suitable for the receiver 28, the flight control circuit 26, the device control circuit 30, the mounted device 32, and the sensor 38, and supplied. The propeller of the unmanned aerial vehicle 10 is rotated by, for example, a three-phase brushless DC motor. The rotation of the three-phase brushless DC motor is controlled by the motor drive waveform converted into three phases by the DC / AC inverter 54 and the ESC 36. Since the propeller is rotated by the three-phase brushless DC motor, the unmanned aerial vehicle 10 is controlled by the control of the three-phase brushless DC motor.

以下に、交流電源40を使用した給電線14での電力伝送について、実施例を基に説明する。なお、無人飛行体10での回路構成は、無人飛行体電源部24における平滑回路50までの回路を示す。   Hereinafter, power transmission on the power supply line 14 using the AC power supply 40 will be described based on embodiments. The circuit configuration of the unmanned aerial vehicle 10 indicates a circuit up to the smoothing circuit 50 in the unmanned aerial vehicle power supply unit 24.

<実施例1>
図13は、商用電源が、直接給電線14を介して伝送される場合の給電回路の構成を示す図である。電源供給部22は、コンセント又はエンジン発電機からの交流電源40である。給電線14に50又は60Hzで100Vの電圧が伝送される。無人飛行体電源部24では、交流を整流する整流ブリッジ48と平滑回路50によりDC電圧に変換される。整流ブリッジ48は、4個のダイオードD、D、D、Dで構成され、平滑回路50は、平滑コンデンサCoが並列に接続されている。
<Example 1>
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit when the commercial power is transmitted directly via the power supply line 14. The power supply unit 22 is an AC power supply 40 from an outlet or an engine generator. A voltage of 100 V is transmitted to the power supply line 14 at 50 or 60 Hz. In the unmanned aerial vehicle power supply unit 24, the AC power is converted into a DC voltage by a rectifying bridge 48 for rectifying the AC and a smoothing circuit 50. The rectifying bridge 48 includes four diodes D 1 , D 2 , D 3 , and D 4 , and the smoothing circuit 50 has a smoothing capacitor Co connected in parallel.

<実施例2>
図14は、給電線14での損失を少なくするために、電源供給部22に昇圧部44、無人飛行体電源部24に降圧部46を設けた給電回路の構成を示す図である。昇圧部22には昇圧トランスT、降圧部46には降圧トランスTを使用している。降圧トランスTによって降圧された交流電圧は、整流ブリッジ48と平滑回路50によりDC電圧に変換される。
<Example 2>
FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in which the power supply unit 22 is provided with a booster unit 44 and the unmanned aerial vehicle power supply unit 24 is provided with a step-down unit 46 in order to reduce loss in the power supply line 14. The step-up unit 22 uses a step-up transformer T 1 , and the step-down unit 46 uses a step-down transformer T 2 . AC voltage stepped down by the step-down transformer T 2 are, are converted into DC voltage by the rectifier bridge 48 and the smoothing circuit 50.

市街地で送電される商用電源は、送電線では電力の損失を抑えるために6600Vで送電されており、一般家庭へはトランスにより電圧が100Vに降圧されて供給されている。また、一般的に電源回路のパワー半導体は、耐圧が現状1kV程度であるが、給電線14での電力損失を抑えるために、1kV以上の交流電圧で給電し、降圧部46で降圧して、パワー半導体が使用できる電圧とすることにより、効率の良い給電が可能となる。例えば、給電線14に供給する電圧を2〜3kVとして、降圧部46で1kV以下に降圧する。このような電圧の変換は、交流ではトランスにより容易に実現できる。   Commercial power transmitted in an urban area is transmitted at 6600 V in a transmission line in order to suppress power loss, and the voltage is reduced to 100 V by a transformer and supplied to ordinary households. In general, the power semiconductor of the power supply circuit has a withstand voltage of about 1 kV at present, but in order to suppress the power loss in the power supply line 14, power is supplied at an AC voltage of 1 kV or more, and the voltage is reduced by the step-down unit 46. By setting the voltage to be usable by the power semiconductor, efficient power supply becomes possible. For example, the voltage supplied to the power supply line 14 is set to 2 to 3 kV, and the voltage is reduced to 1 kV or less by the step-down unit 46. Such voltage conversion can be easily realized by a transformer in an alternating current.

<実施例3>
図15は、交流電力を単相3線式で送電する場合の給電回路の構成を示す図である。商用電源である交流電源40を、トランスTにより単相3線式に変換している。トランスTの二次側巻線の中央から給電線14を引き出して中性線としている。中性線に対して上下の給電線14は逆位相で100Vの電圧であり、上下の給電線から電圧を取り出せば200Vとなる。図15に示した回路構成では、無人飛行体電源部24で中性線を接地し、電圧は上下の給電線から200Vとして取り出している。単相3線式の場合は、中性線に電流が流れないので、単相2線式の場合に対して、給電線14での電圧降下は1/4に抑えられる。
<Example 3>
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit when AC power is transmitted in a single-phase three-wire system. An AC power supply 40 is a commercial power source, it is converted into the single-phase three-wire system by transformer T 3. And a neutral line from the center of the secondary winding of the transformer T 3 Pull the feed line 14. The upper and lower power supply lines 14 have a voltage of 100 V in opposite phase with respect to the neutral wire, and the voltage is 200 V when voltage is taken out from the upper and lower power supply lines. In the circuit configuration shown in FIG. 15, the neutral wire is grounded by the unmanned aerial vehicle power supply unit 24, and the voltage is taken out as 200 V from the upper and lower feeder lines. In the case of the single-phase three-wire system, no current flows through the neutral wire, so that the voltage drop in the power supply line 14 can be suppressed to 4 of that in the case of the single-phase two-wire system.

<実施例4>
図16は、3相電力を、給電線14を介して送電するための給電回路の構成を示す図である。図16(A)は、3相電力を、給電線14を介して直接送電する回路構成を示している。電源供給部22には、商用の3相交流電源58が取り込まれ、給電線14を介して送電される。図16(B)は、単相の交流電源40からコンバータ60で三相に変換した回路構成を示している。図16(B)に示したように、3相交流電源58は、単相の交流電源40からコンバータ24により3相に変換してもよく、また、エンジン発電機から発電させてもよい。無人飛行体電源部24では、6個のダイオードD、D、D、D、D、Dで構成された整流ブリッジ48と平滑回路50の平滑コンデンサCにより、三相交流電圧からDC電圧に変換される。三相交流電圧は、3つの交流電圧波形の位相が120度ズレており、単相交流電圧よりも整流ブリッジでの脈流が少なく、効率よくDC電圧に変換できる。
<Example 4>
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit for transmitting three-phase power via the power supply line 14. FIG. 16A shows a circuit configuration for directly transmitting three-phase power via the power supply line 14. The power supply unit 22 receives a commercial three-phase AC power supply 58 and transmits power via the power supply line 14. FIG. 16B shows a circuit configuration obtained by converting a single-phase AC power supply 40 into three phases by a converter 60. As shown in FIG. 16B, the three-phase AC power supply 58 may be converted from a single-phase AC power supply 40 into three phases by the converter 24, or may be generated by an engine generator. In the unmanned aerial vehicle power supply unit 24, a three-phase AC is provided by a rectifying bridge 48 including six diodes D 1 , D 2 , D 3 , D 4 , D 5 , and D 6 and a smoothing capacitor Co of a smoothing circuit 50. The voltage is converted to a DC voltage. In the three-phase AC voltage, the phases of the three AC voltage waveforms are shifted by 120 degrees, the pulsating current in the rectifying bridge is smaller than that of the single-phase AC voltage, and the DC voltage can be efficiently converted.

次に、スイッチング電源の回路構成を利用にした給電線でのスイッチング波形の伝送について説明する。スイッチング波形は、主に中周波領域及び高周波領域で使用される。   Next, transmission of a switching waveform on a power supply line using a circuit configuration of a switching power supply will be described. The switching waveform is mainly used in a middle frequency region and a high frequency region.

図17は、給電線14でスイッチング波形を伝送する場合の無人飛行体10に関する電源システムのブロック図である。電源供給部22では、DC電源62をチョッパ回路60でオン・オフしたスイッチング波形が生成され、生成されたスイッチング波形は給電線に送られる。DC電源62は、交流(AC)を直流(DC)に変換するAC/DCコンバータを使用した電源でもよい。   FIG. 17 is a block diagram of a power supply system relating to the unmanned aerial vehicle 10 when a switching waveform is transmitted through the power supply line 14. In the power supply unit 22, a switching waveform in which the DC power supply 62 is turned on and off by the chopper circuit 60 is generated, and the generated switching waveform is sent to the power supply line. The DC power supply 62 may be a power supply using an AC / DC converter that converts alternating current (AC) into direct current (DC).

チョッパ回路で生成されたスイッチング波形は、無人飛行体10にある無人飛行体電源部24の平滑化回路50でDC電圧に変換される。変換されたDC電圧は、DC/DCコンバータ52により、受信機28、フライト制御回路26、機器制御回路30、搭載装置32やセンサ38に対して適合した電圧に変換され、供給される。無人飛行体10のプロペラを回転させるのは、例えば三相ブラシレスDCモータであり、DC/ACインバータ54により三相に変換されモータドライブ波形と、ESC36によるモータの制御により、プロペラの回転が制御され、無人飛行体10がDC電源62を使用した給電線14での電力伝送について、実施例を基に説明する。なお、無人飛行体10での回路構成は、無人飛行体電源部24における平滑回路50までの回路を示す。   The switching waveform generated by the chopper circuit is converted into a DC voltage by the smoothing circuit 50 of the unmanned aerial vehicle power supply unit 24 in the unmanned aerial vehicle 10. The converted DC voltage is converted by a DC / DC converter 52 into a voltage suitable for the receiver 28, the flight control circuit 26, the device control circuit 30, the mounted device 32, and the sensor 38, and supplied. What rotates the propeller of the unmanned aerial vehicle 10 is, for example, a three-phase brushless DC motor. The rotation of the propeller is controlled by the motor drive waveform converted by the DC / AC inverter 54 into three phases and the motor control by the ESC 36. The power transmission of the unmanned aerial vehicle 10 through the power supply line 14 using the DC power supply 62 will be described based on an embodiment. The circuit configuration of the unmanned aerial vehicle 10 indicates a circuit up to the smoothing circuit 50 in the unmanned aerial vehicle power supply unit 24.

<実施例5>
図18は、DC電源62をチョッパ回路60で、三相交流電源に変換して給電線14に送電する給電回路の構成を示す図である。DC電源62には、入力コンデンサCinが並列に接続されている。チョッパ回路60は、3つのハイサイドスイッチング素子SW,SW,SWと,3つのローサイドスイッチング素子SW,SW,SWとから構成されている。ハイサイドスイッチング素子SWとローサイドスイッチング素子SW、ハイサイドスイッチング素子SWとローサイドスイッチング素子SW、ハイサイドスイッチング素子SWとローサイドスイッチング素子SWとがそれぞれ直列に接続され、それぞれの直列回路は、位相を120度ずらしてハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子をオン・オフする制御が行われる。これにより三相交流波形を生成している。
<Example 5>
FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a power supply circuit that converts a DC power supply 62 into a three-phase AC power supply by a chopper circuit 60 and transmits the power to the power supply line 14. The DC power source 62, an input capacitor C in is connected in parallel. The chopper circuit 60 includes three high-side switching elements SW 1 , SW 3 , and SW 5 and three low-side switching elements SW 2 , SW 4 , and SW 6 . The high-side switching element SW 1 and the low-side switching element SW 2 , the high-side switching element SW 3 and the low-side switching element SW 4 , the high-side switching element SW 5 and the low-side switching element SW 6 are connected in series, respectively, and their respective series circuits are connected. Is controlled to turn on / off the high-side switching element and the low-side switching element by shifting the phase by 120 degrees. Thereby, a three-phase AC waveform is generated.

無人飛行体10で使用される電圧は、数10V程度である。EV(Electric Vehicle:電気自動車)の車載電池は、DC電圧が500V前後と高く、このため車載電池からの電圧を直接三相交流波形に変換して給電線14に送ることができる。無人飛行体電源部24では、ダイオードD〜Dで構成される三相交流用の整流ブリッジ48と平滑回路50の平滑コンデンサCにより、DC電圧に変換される。 The voltage used in the unmanned aerial vehicle 10 is about several tens of volts. An on-board battery of an EV (Electric Vehicle) has a high DC voltage of about 500 V, and therefore, the voltage from the on-board battery can be directly converted into a three-phase AC waveform and sent to the power supply line 14. In unmanned air supply unit 24, by the smoothing capacitor C 0 of the rectifier bridge 48 and a smoothing circuit 50 for a three-phase alternating current composed of diodes D 1 to D 6, are converted into DC voltage.

スイッチング波形を利用した給電線14での電力の伝送は、各種DC/DCコンバータの回路構成が利用できる。DC/DCコンバータは、DC電圧をスイッチング素子によりスイッチング波形を生成し、平滑化により所望のDC電圧を得る回路構成である。スイッチングは、スイッチング周波数fによりスイッチング素子SWをオン・オフさせる動作であり、電圧の昇圧・降圧ができ、同期式と非同期式がある。 For the transmission of power on the power supply line 14 using the switching waveform, various DC / DC converter circuit configurations can be used. The DC / DC converter has a circuit configuration in which a switching voltage is generated from a DC voltage by a switching element, and a desired DC voltage is obtained by smoothing. Switching is an operation to turn on and off the switching element SW by the switching frequency f s, can boost-buck voltage, there is a synchronous and asynchronous.

以下に、DC電源62を使用した給電線14での電力伝送について、実施例を基に説明する。なお、無人飛行体10での回路構成は、無人飛行体電源部24における平滑回路50までの回路を示す。   Hereinafter, power transmission on the power supply line 14 using the DC power supply 62 will be described based on embodiments. The circuit configuration of the unmanned aerial vehicle 10 indicates a circuit up to the smoothing circuit 50 in the unmanned aerial vehicle power supply unit 24.

<実施例6>
図19は、降圧型DC/DCコンバータの回路構成を利用して、給電線14での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。図19(A)は、非同期式の降圧型DC/DCコンバータの回路構成を利用した場合の構成を示している。DC電源62からのでDC電圧は、スイッチング素子SWによってスイッチング周波数fでオン・オフされる。ここで生成されたスイッチング波形は、給電線14を介して無人飛行体電源部24の平滑回路50に伝送される。平滑回路50は、直列に接続されたインダクタLと並列に接続された平滑コンデンサCとで構成されている。
<Example 6>
FIG. 19 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in a case where power transmission is performed on the power supply line 14 using the circuit configuration of the step-down DC / DC converter. FIG. 19A shows a configuration in which a circuit configuration of an asynchronous step-down DC / DC converter is used. DC voltage because a DC power source 62 is turned on and off at a switching frequency f s by the switching element SW. The switching waveform generated here is transmitted to the smoothing circuit 50 of the unmanned aerial vehicle power supply unit 24 via the power supply line 14. The smoothing circuit 50 includes an inductor L O connected in series and a smoothing capacitor C O connected in parallel.

図19(B)は、同期式の降圧型DC/DCコンバータの回路構成を利用した場合の図である。同期式は、チョッパ回路にあるスイッチング素子SWとスイッチング素子SWがスイッチング周波数fに同期してオン・オフされる。平滑回路50は、非同期式と同様である。 FIG. 19B is a diagram in a case where a circuit configuration of a synchronous step-down DC / DC converter is used. Synchronous, the switching elements SW 1 and the switching element SW 2 in the chopper circuit is turned on and off in synchronism with the switching frequency f s. The smoothing circuit 50 is the same as the asynchronous type.

中周波領域においては、スイッチング周波数fは、給電線14の周波数特性を考慮して設定することが必要である。給電線14は周波数特性を有し、その伝送可能な周波数はカットオフ周波数で限定される。従って、スイッチング周波数fは、給電線14のカットオフ周波数以下であることが必要とされるが、ノイズは、給電線14の周波数特性を生かして、ノイズの周波数が給電線14のカットオフ周波数以上であれば、給電線14で減衰し、給電線14を有効に利用することができる。ノイズの周波数は高く、電源供給部22における回路基板の配線パターンに依存する寄生インダクタンスとESR(等価抵抗)、及びスイッチング素子の寄生容量が主な発生源となる。 In the mid-frequency region, the switching frequency f s, it is necessary to set in consideration of the frequency characteristic of the feed line 14. The power supply line 14 has frequency characteristics, and its transmittable frequency is limited by a cutoff frequency. Therefore, the switching frequency f s is, it is required is less than the cutoff frequency of the feed line 14, noise, taking advantage of the frequency characteristic of the feed line 14, the frequency of the noise is cut-off frequency of the feed line 14 If it is above, it will be attenuated by the feeder line 14, and the feeder line 14 can be used effectively. The frequency of the noise is high, and the main sources are the parasitic inductance and ESR (equivalent resistance) depending on the wiring pattern of the circuit board in the power supply unit 22, and the parasitic capacitance of the switching element.

図20は、図19(B)で示した電源供給部22の回路における寄生インダクタンス、寄生容量を考慮した等価回路を示す図である。スイッチング素子は選択する素子の種類にもよるため、ここではパワーMOSFETとし、ハイサイドスイッチング素子SW及びローサイドスイッチング素子SWをパワーMOSFETとした。 FIG. 20 is a diagram showing an equivalent circuit in the circuit of the power supply unit 22 shown in FIG. 19B in consideration of parasitic inductance and parasitic capacitance. Since the switching element depends on the type of the element to be selected, where the power MOSFET, and the high-side switching element SW 1 and the low-side switching element SW 2 and power MOSFET.

寄生要素は、入力コンデンサCinでは寄生インダクタンスLS1とESR(Equivalent Serial Resistance)である。ESRは配線にも存在し、図20ではまとめてESRとした。パワーMOSFETでは、ミラー容量とゲート容量は考慮せず、ボディダイオードと寄生容量を寄生要素とした。ハイサイドスイッチング素子SWでは、ボディダイオードDS1と寄生容量CS1を、ローサイドスイッチング素子SWでは、ボディダイオードDS2と寄生容量CS2を寄生要素として等価回路に示している。 The parasitic elements are the parasitic inductance L S1 and ESR (Equivalent Serial Resistance) in the input capacitor C in . ESR also exists in the wiring, and is collectively referred to as ESR 1 in FIG. In the power MOSFET, the body diode and the parasitic capacitance were used as parasitic elements without considering the Miller capacitance and the gate capacitance. In the high-side switching element SW 1, shows a parasitic capacitance C S1 and the body diode D S1, the low-side switching element SW 2, the equivalent circuit the parasitic capacitance C S2 and the body diode D S2 as a parasitic element.

配線、レイアウト、ビア等にも寄生インダクタンスが発生するが、図20では配線の寄生インダクタンスLS2、LS3、LS4で示した。 Parasitic inductance also occurs in wiring, layout, vias, etc., but is shown in FIG. 20 by wiring parasitic inductances L S2 , L S3 , and L S4 .

ハイサイドスイッチング素子SWとローサイドスイッチング素子SWのオン・オフは、ゲートドライブ信号により制御されるが、ノイズは、主にハイサイドスイッチング素子SWとローサイドスイッチング素子SWがオフする時に発生し易い。ハイサイドスイッチング素子SWがオンになると、DC電源62からハイサイドスイッチング素子SWを通して、ローサイドスイッチング素子SWの還流電流をキャンセルするように電流が流れ込む。 On and off the high-side switching element SW 1 and the low-side switching element SW 2 is controlled by a gate drive signal, the noise is mainly the high-side switching element SW 1 and the low-side switching element SW 2 is generated when the off easy. When the high-side switching element SW 1 is turned on, through the high-side switching element SW 1 from the DC power source 62, current flows to the return current of the low-side switching element SW 2 to cancel.

ローサイドスイッチング素子SWの電流がゼロになってもローサイドスイッチング素子SWのボディダイオードDS2が有しているリカバリ機能により、蓄積されたキャリアがなくなるまでボディダイオードDS2に逆方向電流が流れる。このリカバリ電流は、入力コンデンサCin、ハイサイドスイッチング素子SWとローサイドスイッチング素子SWで構成されるループに流れる短絡電流iであり、ループに存在する全ての寄生容量にエネルギが蓄積される。 The recovery function the current of the low side switching element SW 2 is the low-side switching element SW 2 of the body diode D S2 also becomes zero has a reverse current flows through the body diode D S2 until no carriers stored. The recovery current is input capacitor C in, a short circuit current i flowing through the loop comprising the high side switching element SW 1 and the low-side switching element SW 2, energy is stored in all the parasitic capacitance present in the loop.

このエネルギは、リカバリが働かなくなった瞬間に開放され、このときにループ内の寄生インダクタンスと寄生容量で共振が起き、サージやリンギングとなることにより、ノイズが発生する。ハイサイドスイッチング素子SWはオン状態で導通しているので、ハイサイドスイッチング素子SWの寄生容量CS1は関係なく、高周波リンギングの周波数は、ループの全ての寄生インダクタンスと寄生容量の共振周波数である。 This energy is released at the moment when the recovery does not work. At this time, resonance occurs in the parasitic inductance and the parasitic capacitance in the loop, causing surge or ringing, thereby generating noise. Since the high-side switching element SW 1 is turned in the on state, the parasitic capacitance C S1 of the high-side switching element SW 1, regardless the frequency of the high frequency ringing, the resonant frequencies of all of the parasitic inductance and capacitance of the loop is there.

ハイサイドスイッチング素子SWとローサイドスイッチング素子SWのオフ時のノイズは一般的に数百MHzであり、高di/dtの電流サージとして入力コンデンサCin、ハイサイドスイッチング素子SWとローサイドスイッチング素子SWの高周波リンギングループを循環する。これによって、入力コンデンサCinにはdi/dtに依存したサージ電圧が発生し、ハイサイドスイッチング素子SWとローサイドスイッチング素子SWには、DC電源62の電圧Vに対応したdV/dtのリンギング電圧が発生する。ループを流れる高周波のリンギング電流は、ループの面積に依存した磁束を発生させ、この磁束が外部へ向かって放射されるため、電磁波として機器の基板のストリップラインやループにおいて電磁誘導を引き起こす。 The high-side switching element SW 1 and the low-side noise during the OFF switching element SW 2 is typically several hundred MHz, the input capacitor C in a current surge high di / dt, the high-side switching element SW 1 and the low-side switching element circulating in the high-frequency ringing loop of SW 2. Thus, the input to the capacitor C in the surge voltage is generated which depends on the di / dt, the high-side switching element SW 1 and the low-side switching element SW 2 is ringing dV / dt corresponding to the voltage V of the DC power supply 62 Voltage is generated. The high-frequency ringing current flowing through the loop generates a magnetic flux depending on the area of the loop, and the magnetic flux is radiated to the outside, so that electromagnetic waves are induced as electromagnetic waves in the strip line or loop of the board of the device.

以上説明したように、電源供給部22で発生するノイズは周波数が高く、周波数特性を考慮して給電線14を選択することで十分に減衰させることができる。DC/DCコンバータの回路構成を利用した給電線14でのスイッチング波形の伝送は、他の回路構成でも有効である。   As described above, the noise generated in the power supply unit 22 has a high frequency, and can be sufficiently attenuated by selecting the power supply line 14 in consideration of the frequency characteristics. Transmission of the switching waveform on the power supply line 14 using the circuit configuration of the DC / DC converter is effective in other circuit configurations.

図21は、非同期式昇圧型のDC/DCコンバータの回路構成を利用して、給電線14での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。チョッパ回路60は、インダクタL、ダイオードDとスイッチング素子SWで構成されている。ダイオードDをスイッチング素子として同期式の構成であってもよい。無人飛行体電源部24での平滑回路50は、平滑コンデンサCが並列接続された回路構成である。スイッチング素子SWがオン・オフされ、スイッチング素子SWがオンのときインダクタにエネルギが蓄積され、スイッチング素子SWがオフのときインダクタに蓄積されたエネルギがダイオードDを介して放出されることにより昇圧する。ダイオードDをスイッチング素子SWに代えて同期式としてもよい。昇圧型の給電回路の構成は、使用するDC電源62の電圧が低い場合に有効である。 FIG. 21 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in a case where power transmission is performed on the power supply line 14 by using a circuit configuration of an asynchronous boost DC / DC converter. The chopper circuit 60 includes an inductor L, a diode D, and a switching element SW. A synchronous configuration may be used with the diode D as a switching element. The smoothing circuit 50 in the unmanned aerial vehicle power supply unit 24 has a circuit configuration in which a smoothing capacitor CO is connected in parallel. When the switching element SW is turned on and off, energy is stored in the inductor when the switching element SW is on, and the energy stored in the inductor is released via the diode D when the switching element SW is off, thereby boosting the voltage. The diode D may be a synchronous type in place of the switching element SW. The configuration of the boosting type power supply circuit is effective when the voltage of the DC power supply 62 to be used is low.

図22は、フライバック型DC/DCコンバータの回路構成を利用して、給電線14での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。給電回路は、フライバック型DC/DCコンバータ−タの回路構成を利用している。チョッパ回路60は、トランスTとスイッチング素子SWで構成され、DV電源62からのDC電圧をスイッチング素子SWが、トランスTを介してオン・オフしている。トランスTのコアに巻回された一次巻線は、スイッチング素子SWのドレインに接続されている。トランスTの一次側と二次側は、ドットで示したように逆極性としている。トランスTの二次側は給電線14に接続されている。無人飛行体電源部24にある平滑回路50は、直列接続されたダイオードDと、並列接続された平滑コンデンサCから構成されている。 FIG. 22 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in a case where power transmission is performed on the power supply line 14 using a circuit configuration of a flyback type DC / DC converter. The power supply circuit uses a circuit configuration of a flyback type DC / DC converter. The chopper circuit 60 includes a transformer T and a switching element SW. The switching element SW turns on and off a DC voltage from the DV power supply 62 via the transformer T. The primary winding wound around the core of the transformer T is connected to the drain of the switching element SW. The primary and secondary sides of the transformer T have opposite polarities as indicated by dots. The secondary side of the transformer T is connected to the power supply line 14. The smoothing circuit 50 in the unmanned aerial vehicle power supply unit 24 includes a diode D connected in series and a smoothing capacitor CO connected in parallel.

スイッチング素子SWのゲートにゲート電圧が印加され、オン状態になると、一次巻線に一次側電流が流れる。一次側電流が流れると、トランスTのコアに磁束が発生し、コアが磁化されてエネルギが蓄積される。このとき、二次側は、給電線14を介して接続されているダイオードDの向きが逆なので二次側の二次側電流は流れない。   When a gate voltage is applied to the gate of the switching element SW and the switching element SW is turned on, a primary current flows through the primary winding. When the primary current flows, a magnetic flux is generated in the core of the transformer T, and the core is magnetized to store energy. At this time, on the secondary side, the direction of the diode D connected via the power supply line 14 is reversed, so that the secondary side current does not flow on the secondary side.

スイッチング素子SWが、ゲート電圧の遮断によりオフ状態になると、一次側電流は流れず、スイッチング素子SWのスイッチング素子電圧は、DC電源62の電圧が直接印加された状態となる。トランスTのコアに蓄積されたエネルギは開放されて、二次巻線からダイオードDに向かって流れる。エネルギが全て放出されたとき、即ち、二次側電流がゼロになったときに、再びスイッチング素子SWのゲートにゲート電圧が印加されオン状態になる。トランスTの一次巻線と二次巻線は、チョークコイルの機能を備えているため、ノイズが発生しにくい特徴がある。このため、高周波化を目的に、スイッチング素子SWは、GaN−HEMTを用いている。GaN−HEMTは高耐圧で高速化が可能なパワーデバイスであるスイッチング素子SWは、GaNトランジスタの他、SiCトランジスタからなる素子であってもよい。これらの高速パワー半導体は、スイッチング周波数fが1MHz以上可能なものもある。 When the switching element SW is turned off due to the cutoff of the gate voltage, the primary current does not flow, and the switching element voltage of the switching element SW is in a state where the voltage of the DC power supply 62 is directly applied. The energy stored in the core of the transformer T is released and flows from the secondary winding toward the diode D. When all the energy is released, that is, when the secondary current becomes zero, the gate voltage of the switching element SW is applied again to turn on the switching element SW. Since the primary winding and the secondary winding of the transformer T have the function of a choke coil, there is a feature that noise is hardly generated. Therefore, the GaN-HEMT is used as the switching element SW for the purpose of increasing the frequency. The GaN-HEMT is a power device that has a high withstand voltage and can operate at high speed. The switching element SW may be an element made of a SiC transistor in addition to a GaN transistor. These fast power semiconductors, and some switching frequency f s is available than 1 MHz.

図23は、フォワード型DC/DCコンバータの回路構成を利用して、給電線14での電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。チョッパ回路60は、トランスTとスイッチング素子SWで構成され、DC電源62からのDC電圧を、スイッチング素子SWがトランスを介してオン・オフしている。トランスTのコアに巻回された一次巻線は、スイッチング素子SWのドレインに接続されている。トランスTの一次側と二次側は、ドットで示したように同じ極性である。トランスTの二次側は給電線14に接続されている。無人飛行体電源部24にある平滑回路50は、直列接続されたダイオードDと、並列接続された転流ダイオードD及び平滑コンデンサCから構成されている。 FIG. 23 is a diagram illustrating a configuration of a power supply circuit in the case where power transmission is performed on the power supply line 14 using the circuit configuration of the forward DC / DC converter. The chopper circuit 60 includes a transformer T and a switching element SW, and the switching element SW turns on / off the DC voltage from the DC power supply 62 via the transformer. The primary winding wound around the core of the transformer T is connected to the drain of the switching element SW. The primary and secondary sides of the transformer T have the same polarity as shown by the dots. The secondary side of the transformer T is connected to the power supply line 14. Smoothing circuit 50 on the unmanned air vehicle power supply unit 24 includes a diode D 1 connected in series, and a parallel-connected commutation diode D 2 and a smoothing capacitor C O.

スイッチング素子SWのゲートにゲート電圧が印加され、オン状態になると、一次巻線に一次側電流が流れる。一次側電流が流れると、トランスTのコアに磁束が発生し、二次側は、給電線14を介して接続されているダイオードDに二次側電流を流し、平滑コンデンサCに電流を供給する。ゲート電圧の遮断によりオフ状態になると、一次側電流は流れず、トランスTのコアに蓄積されたエネルギは、ダイオードDを介して平滑コンデンサCに電流を供給する。フォワード型は、トランスを片方向のみ励磁する方式であり、フライバック型と同様に、ノイズが発生しにくい特徴がある。 When a gate voltage is applied to the gate of the switching element SW and the switching element SW is turned on, a primary current flows through the primary winding. Flows primary current, magnetic flux is generated in the core of the transformer T, secondary side, the diode D 1 connected via a feed line 14 passing a secondary current, the current to the smoothing capacitor C O Supply. When turned off by the interruption of the gate voltage, the primary current does not flow, energy stored in the core of the transformer T supplies a current to the smoothing capacitor C O via the diode D 2. The forward type is a type in which the transformer is excited in only one direction, and has a feature that noise is unlikely to be generated as in the flyback type.

図24は、フォワード型DC/DCコンバータの回路構成を利用しているが、トランスTを給電線14で代用して電力伝送を行う場合の給電回路の構成を示す図である。チョッパ回路60にはトランスTが無く、DC電源62とスイッチング素子SWのドレインが給電線14に接続されている。平滑回路50は、図23で示した回路と同様であるが、給電線14の受端に、負荷インピーダンスZを並列に接続している。 FIG. 24 is a diagram showing the configuration of a power supply circuit in the case where power transmission is performed by using the circuit configuration of the forward DC / DC converter instead of the transformer T with the power supply line 14. The chopper circuit 60 has no transformer T, and the DC power supply 62 and the drain of the switching element SW are connected to the power supply line 14. Smoothing circuit 50 is similar to the circuit shown in FIG. 23, the receiving end of the feed line 14, connects the load impedance Z L in parallel.

高周波領域では、スイッチング周波数に対して給電線14の長さが無視できず、例えば、長さ100mの給電線14では、光速を3×10m/sとして、スイッチング周波数fに対応する波長λを給電線14の長さだとすると、スイッチング周波数は、3MHzとなる。給電線14の長さが、インピーダンス整合するλ/4では、波長が4倍となるので、スイッチング周波数fは、750kHzである。給電線14の長さを3000mとしても、λ/4の整合を考えると、スイッチング周波数fは、1MHzである。図24には、給電線14の長さとスイッチング波形のλ/4整合の状態を模式的に示している。 In the high frequency region, can not be ignored length of the feed line 14 to the switching frequency, for example, the feed line 14 of length 100 m, the speed of light as 3 × 10 8 m / s, the wavelength corresponding to the switching frequency f s If λ is the length of the feed line 14, the switching frequency is 3 MHz. The length of the feed line 14, the lambda / 4 impedance matching, since the wavelength is four times the switching frequency f s is 750 kHz. Also the length of the feed line 14 as 3000 m, considering the alignment of the lambda / 4, the switching frequency f s is 1 MHz. FIG. 24 schematically shows the length of the power supply line 14 and the state of λ / 4 matching of the switching waveform.

前述したように、給電線14の長さとスイッチング波形の波長がλ/4で整合している場合は、負荷での電圧は、DC電源62の電圧に対してZ/Z倍となり、トランスと同様の効果を生じる。従って、フォワード型DC/DCコンバータの回路構成を利用して給電回路を構成した場合、トランスTに代えて給電線14をトランスTとした給電回路の構成ができる。これによってトランスTを無くすことができる。なお、給電線14にエネルギの蓄積が行われる訳ではないので、フライバック型DC/DCコンバータを利用した給電回路ではトランスTを給電線14で代用できない。 As described above, when the length of the power supply line 14 and the wavelength of the switching waveform are matched at λ / 4, the voltage at the load becomes Z L / Z 0 times the voltage of the DC power supply 62, and This produces the same effect as. Therefore, when the power supply circuit is configured using the circuit configuration of the forward DC / DC converter, a power supply circuit having the power supply line 14 as the transformer T instead of the transformer T can be configured. As a result, the transformer T can be eliminated. Since energy is not stored in the power supply line 14, the transformer T cannot be used in the power supply circuit using the flyback type DC / DC converter.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications can be made without departing from the spirit of the present invention.

f 周波数
スイッチング周波数
λ 波長
V 電圧
I 電流
W 電力
los 損失電力
R 給電線等価抵抗
Γ 反射係数
in 入力インピーダンス
特性インピーダンス
負荷インピーダンス
D,D、D,D、D,D、D ダイオード
平滑コンデンサ
in 入力コンデンサ
T,T,T,T トランス
SW,SW,SW,SW,SW,SW,SW スイッチング素子
L,L インダクタ
10 無人飛行体
12 ベースステーション
14 給電線
16 巻取部
18 プロポ送信機
20 地上電源部
22 電源供給部
24 無人飛行体電源部
26 フライト制御部
28 受信機
30 機器制御部
32 搭載機器
34 モータ
36 ESC
38 センサ
40 単相交流電源
42 三相交流電源
44 昇圧部
46 降圧部
48 整流ブリッジ
50 平滑回路
52 DC/DCコンバータ
54 DC/ACコンバータ
56 昇圧部
58 三相交流電源
60 チョッパ回路
62 DC電源
f frequency f s switching frequency λ wave V voltage I current W power W los power loss R feed line equivalent resistance Γ reflection coefficient Z in the input impedance Z 0 characteristic impedance Z L load impedance D, D 1, D 2, D 3, D 4, D 5, D 6 diodes C O smoothing capacitor C in the input capacitor T, T 1, T 2, T 3 trans SW, SW 1, SW 2, SW 3, SW 4, SW 5, SW 6 switching elements L, L O inductor 10 unmanned air 12 base station 14 feeder line 16 take-up unit 18 propoxycarbonyl transmitter 20 ground power supply unit 22 power supply unit 24 unmanned air supply unit 26 the flight controller 28 receiver 30 device control unit 32 mounted device 34 Motor 36 ESC
38 Sensor 40 Single-phase AC power supply 42 Three-phase AC power supply 44 Boost unit 46 Step-down unit 48 Rectifier bridge 50 Smoothing circuit 52 DC / DC converter 54 DC / AC converter 56 Boost unit 58 Three-phase AC power supply 60 Chopper circuit 62 DC power supply

Claims (18)

無人飛行体に電源を供給する地上電源部と、
前記無人飛行体のモータ及び電子機器へ電力を供給する無人飛行体電源部と、
前記地上電源部と前記無人飛行体電源部とを接続する給電線と、
を備え、
前記地上電源部から前記給電線を介して前記無人飛行体電源部へ供給する供給電力は、周期的な電圧又は電流波形を有すること、
を特徴とする有線給電型無人飛行体。
A ground power supply for supplying power to the unmanned aerial vehicle,
An unmanned aerial vehicle power supply unit for supplying power to the motor and the electronic device of the unmanned aerial vehicle,
A power supply line connecting the ground power unit and the unmanned aerial vehicle power unit,
With
Supply power supplied from the ground power supply unit to the unmanned aerial vehicle power supply unit through the power supply line has a periodic voltage or current waveform,
A wired powered unmanned aerial vehicle characterized by the following.
前記供給電力は、単相交流電力であること、
を特徴とする請求項1に記載の有線給電型無人飛行体。
The power supply is a single-phase AC power,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 1, wherein:
前記給電線は単相3線式であること、
を特徴とする請求項2に記載の有線給電型無人飛行体。
The power supply line is a single-phase three-wire system;
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 2, characterized in that:
前記供給電力は、三相交流電力であること、
を特徴とする請求項1に記載の有線給電型無人飛行体。
The supply power is three-phase AC power;
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 1, wherein:
前記単相交流電力又は前記三相交流電力は、商用電源からの交流電力であること、
を特徴とする請求項2又は4に記載の有線給電型無人飛行体。
The single-phase AC power or the three-phase AC power is AC power from a commercial power supply,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 2 or 4, wherein:
前記三相交流電力は、前記単相交流電力から変換されていること、
を特徴とする請求項4に記載の有線給電型無人飛行体。
The three-phase AC power has been converted from the single-phase AC power,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 4, characterized in that:
前記地上電源部には昇圧部が設けられ、
前記商用電源からの交流電力は、前記昇圧部により昇圧され、前記給電線を介して前記無人飛行体電源部に給電されること、
を特徴とする請求項5に記載の有線給電型無人飛行体。
A booster is provided in the ground power supply,
AC power from the commercial power supply is boosted by the booster, and is supplied to the unmanned aerial vehicle power supply via the power supply line,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 5, characterized in that:
前記地上電源部には、DC/ACインバータ又はAC/ACコンバータが設けられ、前記無人飛行体電源部には、AC/DCコンバータ、DC/DC及びDC/ACインバータが設けられていること、
を特徴とする請求項1に記載の有線給電型無人飛行体。
A DC / AC inverter or an AC / AC converter is provided in the ground power supply unit, and an AC / DC converter, DC / DC and DC / AC inverter are provided in the unmanned aerial vehicle power supply unit;
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 1, wherein:
前記供給電力の出力波形は、スイッチング波形であること、
を特徴とする請求項1に記載の有線給電型無人飛行体。
The output waveform of the supply power is a switching waveform,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 1, wherein:
前記給電線のカットオフ周波数は、前記スイッチング波形のスイッチング周波数より高いこと、
を特徴とする請求項9に記載の有線給電型無人飛行体。
The cutoff frequency of the power supply line is higher than the switching frequency of the switching waveform,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 9, characterized in that:
前記給電線は、前記スイッチング波形のノイズ除去機能を備えていること、
を特徴とする請求項9に記載の有線給電型無人飛行体。
The power supply line has a function of removing noise from the switching waveform,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 9, characterized in that:
前記スイッチング周波数に対応する波長は、前記給電線の長さの1/4であること、
を特徴とする請求項9に記載の有線給電型無人飛行体。
A wavelength corresponding to the switching frequency is 1 / of a length of the power supply line;
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 9, characterized in that:
前記スイッチング波形は、チョッパ回路の出力波形であること、
を特徴とする請求項9に記載の有線給電型無人飛行体。
The switching waveform is an output waveform of a chopper circuit;
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 9, characterized in that:
前記スイッチング波形は、絶縁型コンバータのトランス出力波形であること、
を特徴とする請求項9に記載の有線給電型無人飛行体。
The switching waveform is a transformer output waveform of an isolated converter,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 9, characterized in that:
前記チョッパ回路又は前記絶縁型コンバータのスイッチング素子は、GaNトランジスタ又はSiCトランジスタからなる素子であること、
を特徴とする請求項13又は14のいずれか1項に記載の有線給電型無人飛行体。
The switching element of the chopper circuit or the insulation type converter is an element including a GaN transistor or a SiC transistor,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 13, wherein:
前記無人飛行体電源部には、平滑回路が設けられていること、
を特徴とする請求項9に記載の有線給電型無人飛行体。
The unmanned aerial vehicle power supply unit is provided with a smoothing circuit,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 9, characterized in that:
前記地上電源部は、車載電池を備えていること、
を特徴とする請求項1に記載の有線給電型無人飛行体。
The ground power supply unit includes an in-vehicle battery,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 1, wherein:
前記地上電源部は、エンジン発電機を備えていること、
を特徴とする請求項1に記載の有線給電型無人飛行体。
The ground power unit includes an engine generator,
The wire-powered unmanned aerial vehicle according to claim 1, wherein:
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