基于皮卫星的数字化智能航天电源系统设计

分享到:

  进入21世纪以来,微小卫星(micro-satellite)以其较高的功能密度,先进的技术性能以及发射与运行过程中的高度的灵活性,逐渐成为国际航天技术研究领域的重要发展方向。按照当前国际通行的卫星分类方法,重量在0.1~1kg之间的微小卫星可称为皮卫星(pico-satellite)[1]。对于以皮卫星为代表的微小卫星而言,由于其太阳能帆板面积十分有限,同时面临复杂多变的空间环境,因此要求卫星电源系统具有高效率、高能量密度与控制自主化的特点,这是目前一般工业电源所难以达到的。

  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MAX397双8通道模拟多路器与MAX6129参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BoostDC/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-MOSFETIRF3205导通,使p-MOSFETIRF4905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”。

  2皮卫星智能电源系统的软件与算法设计

  2.1皮卫星电源系统控制软件基本流程

  电源系统控制软件流程主要以“信号巡回检测→PWM控制信号调整→系统运行参数传输→再次信号巡回检测”过程为主干,并在“巡检→控制→数据传输”过程中增加充电控制、放电控制等分支控制功能。控制软件采用模块化思想设计,由系统初始化模块,多路A/D转换模块、数字滤波模块、数据分析与控制模块、串口通信模块等组成[3]。

  2.2基于模糊控制逻辑的电导增量MPPT算法

  皮卫星智能电源系统主要依靠软件中的MPPT算法实现其功率的最大化。MPPT算法原理在于:在一定的温度与光强条件下,卫星电源使用的太阳电池阵的输出电压与电流存在着非线性的关系,当输出电压到达特定值Vmp,与对应电流值Imp之间乘积达到最大值,即为太阳电池阵峰值输出功率点Pmp。

  在峰值功率点处,输出功率对输出电压的微分

  dP/dV=d(VI)/dV= I+V dI/dV = 0 (2)

  进一步推导,可得:-dI/dV=I/V (3)

  由此关系,建立基于模糊控制逻辑的电导增量MPPT算法。

  其中,V(n),V(n-1),I(n),I(n-1)分别为当前时刻与上一时刻的太阳电池阵输出电压、电流值,D(n),D(n+1)分别为当前时刻与下一时刻的占空比,D为占空比调整步长。根据采集的电流、电压信号,微处理单元不断增减PWM信号占空比,利用Boost电压变换电路调整太阳电池阵的输出电压,从而使工作点到达峰值功率点Pmp,卫星电源系统获得最大的输出功率。

  进一步,在基本算法的基础上引入模糊控制逻辑,其作用为加快峰值功率跟踪的速度。模糊逻辑控制器的两个输入变量分别取为当前时刻电导增量差值e(n)=-dI/dV-I/V和占空比调整步长D(n),输出变量取为下一时刻的占空比调整步长D(n+1)。然后建立相应的隶属度函数与模糊规则库,此处从略。模拟实验表明,在标准空间环境条件(AM0,25℃)下,引入模糊控制逻辑后的电导增量MPPT算法,其峰值功率跟踪所需时间减少了60%以上。

  3结论

  本文针对皮卫星电源系统的特点开发了一套智能化的航天电源系统,该电源系统以ATmega8L单片机为核心,对电源系统各关键节点的信号进行实时采集与处理,并运用峰值功率跟踪等控制策略,控制系统工作状态。模拟实验表明,该电源系统在标准空间环境条件(AM0,25℃)下,峰值功率跟踪性能良好,最大输入功率达到约2.75W,电源整体效率保持在82%以上。

  本文创新点:采用ATmega8L单片机为核心控制器,在航天电源系统中实现了运行参数实时采集、系统自主功率跟踪、充放电调节以及上、下位机数据通信等智能化控制方法;提出了基于模糊控制逻辑的电导增量MPPT算法,快速实现对电源系统输入峰值功率的跟踪。

继续阅读
开源门禁系统设计项目—基于ATmega328

门禁系统设计要求:基于atmega328单片机设计,具有通话、振铃、摘机、通话、开锁功能,还要有键盘和显示电路。

sam4s16c的片内flash读写

最近一直在玩sam4s16c,网上的所有论坛基本找不到atmel的资料,真心的不喜欢,但是工作需要,没办法。只能静下心来仔细研究Datasheet,别无他径。

把握MCU发展轨迹 正确选择MCU完成产品创新

面对缤纷多彩的 MCU 世界,如何在新品设计,老产品更新换代中正确的选择芯片和供应商将是要面临的一个重要的题目,因为无论是产品的更新还是 MCU 的更新速度都远远超出设计者预想,正确把握 MCU 发展趋势,利用 MCU 帮助产品创新是电子设计者正在考虑的问题。

SAM4L8教程之USB复合设备的实现

大家用usb数据线连接开发板的DEBUG USB,打开设备管理器会发现主机识别出有3个设备,这就是usb多功能的复合设备。下面是我探索将MSC,usb mouse和usb keyboard集合于1个设备的教程。

可视化的调试助手FreeRTOS+Trace

在AS开发库中,除了直接用于程序嵌入的库和内核以外,还有用来调试的工具。对于FreeRTOS而言,相对的线程和任务调度是比较难于用普通的设置断点,进行参数跟踪来实现的。因此,一种可视化的调试工具就被引入到AS中——FreeRTOS+Trace。

©2019 Microchip Corporation
facebook google plus twitter linkedin youku weibo rss