皮卫星智能航天电源系统设计

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        摘要:本文针对皮卫星电源系统的特点开发了一套智能化、高效率的数字化电源系统,其智能化设计主要体现在:通过多种测量电路对电源系统各关键节点的电压、电流等重要信号进行实时采集、处理与分析,随时掌握电源系统的能量输入、贮存与输出以及实时效率等重要参数;在数据采集基础上,通过微控制器及其控制软件的处理,合理地采取峰值功率跟踪(MPPT)、充放电调节(BCR/BDR)等控制策略,控制电源系统工作状态,跟踪最大输入功率点;针对不同空间任务需求与能量界面参数,通过调整软件灵活地进行电源运行实验;通过串口通信方式与上位机通信,为卫星电源系统测控以及数据储存与传输提供了良好条件。

  1 皮卫星智能电源系统的硬件设计

  皮卫星智能电源系统基于“太阳能电池阵——电源控制系统——蓄电池组”拓扑结构进行设计[2]。电源控制系统作为整个电源系统的核心部分,主要由以下几个部分构成:微控制单元、一次母线电压调节单元(即峰值功率跟踪单元)、二次母线电压调节单元(即放电调节单元)、充电调节单元、电压电流信号采集单元、信号处理单元、串行通信单元等。

  电源控制系统的基本工作流程为:根据预先设定的空间环境参数,由太阳电池阵模拟器形成电源系统的初始输入;初始输入经过一次母线电压调节单元的调节,形成与蓄电池组工作电压相匹配的一次母线电压7.2V~8.4V,同时完成对输入峰值功率的跟踪与锁定;供给二次母线的功率经过二次母线调节器的调节,分别为星上负载提供5V与3.3V两种二次母线电压;电压电流信号采集单元不断采集初始输入、一次母线、蓄电池组、二次母线等各关键节点的电压电流信号,经由电压跟随器、一阶滤波电路与多路信号选通芯片,送入微控制单元进行A/D转换;微控制器根据各关键节点信号,经过进一步的处理与分析,向各级母线调节单元及充电控制单元发出控制信号,同时通过串行通信单元向上位机传送数据。

  1.1 微控制单元

  微控制单元电路以ATMEL 公司推出的ATmega8L单片机为核心,配以MAX 397双8通道模拟多路器与MAX 6129参考电压源等外围设备组成,如图2所示。ATmega8L单片机是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS的8位高档单片机,具有接近1 MIPS/MHZ的高速运行处理能力。ATmega8L具有23路可编程多功能I/O端口,八通道10位A/D转换和三通道16位以内的PWM输出功能,因此在系统中完成10位信号A/D转换与处理,MPPT算法实现以及31.25KHz PWM控制信号输出等重要功能。

  1.2 一次母线电压调节单元(峰值功率跟踪单元)

  一次母线电压调节单元电路以Boost DC/DC电压变换电路为核心,同时增加了以两个MOSFET组合而成的一次母线控制开关,如图3所示。Boost电压变换电路由MOSFET开关管Q1,续流二极管D3、D4,储能电感L2与滤波电容C13组成,升压变换比满足

  M = Vout/Vin = 1/ (1-D) (1)

  由于一次母线输出电压Vout被钳位在蓄电池组工作电压,即7.2V~8.4V区间某特定值,则调整微处理单元发出的PWM控制信号占空比D,可调整输入电压(即太阳电池阵输出电压)Vin。在此基础上,调用峰值功率跟踪(MPPT)算法,实现太阳电池阵输出功率最大化。

  1.3 电流电压信号采集单元

  信号采集单元以MAX4373F电流传感放大器与分压精密电阻为核心,采集初始输入、一次母线、蓄电池组、5/3.3V二次母线等6处节点的电压电流信号。信号送入集成运放LM234进行电压跟随,再经过一阶R-C滤波 电路滤去纹波,最终送入MAX397等待A/D转换。

  1.4 充电调节器单元

  蓄电池组充电调节器由n-MOSFET与p-MOSFET组合电子开关构成,具体结构同图3右侧的电子开关。充电过程中,MOSFET驱动器输出高电平信号,则n-MOSFET IRF3205导通,使p-MOSFET IRF4905的G极电压近似为0,此时IRF4905的S极与G极间电压为正,使IRF4905导通。当蓄电池组达到满充电压时,微处理单元控制电子开关关断。

  1.5 二次母线电压调节单元(放电调节单元)

  由于输出电压为特定值,二次母线电压调节单元中采用了MAX649(5V输出)、MAX651(3.3V输出)的Buck型DC/DC降压变换控制芯片。 MAX649、MAX651芯片将4.0V~16.5V范围内的任意的一次母线电压分别转换为3.3V与5V,供给星上各分系统的能量需求。当输出电流处于10mA~1.5A范围内,芯片功率转换效率可达到90%以上。

  放电调节器同样由受微控制单元驱动的n-MOSFET与p-MOSFET组合电子开关构成。

  1.6 串行通信单元

  串行通信单元电路以双通道串口通信驱动芯片MAX232为核心,使用串口通信标准EIA-RS-232C协议。MAX232将单片机输出的TTL电平信号 “逻辑1电平+5V,逻辑0电平0V”,转化为上位机RS-232C信号“逻辑1电平-5~-15V,逻辑0电平+5~+15V”。