基于皮衛(wèi)星的數(shù)字化智能航天電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，微小衛(wèi)星（micro-satellite）以其較高的功能密度，先進(jìn)的技術(shù)性能以及發(fā)射與運(yùn)行過(guò)程中的高度的靈活性，逐漸成為國(guó)際航天技術(shù)研究領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。按照當(dāng)前國(guó)際通行的衛(wèi)星分類(lèi)方法，重量在0.1～1kg之間的微小衛(wèi)星可稱(chēng)為皮衛(wèi)星（pico-satellite）[1]。對(duì)于以皮衛(wèi)星為代表的微小衛(wèi)星而言，由于其太陽(yáng)能帆板面積十分有限，同時(shí)面臨復(fù)雜多變的空間環(huán)境，因此要求衛(wèi)星電源系統(tǒng)具有高效率、高能量密度與控制自主化的特點(diǎn)，這是目前一般工業(yè)電源所難以達(dá)到的。

本文針對(duì)皮衛(wèi)星電源系統(tǒng)的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了一套智能化、高效率的數(shù)字化電源系統(tǒng)，其智能化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在：通過(guò)多種測(cè)量電路對(duì)電源系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓、電流等重要信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理與分析，隨時(shí)掌握電源系統(tǒng)的能量輸入、貯存與輸出以及實(shí)時(shí)效率等重要參數(shù)；在數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，通過(guò)微控制器及其控制軟件的處理，合理地采取峰值功率跟蹤（MPPT）、充放電調(diào)節(jié)(BCR/BDR)等控制策略，控制電源系統(tǒng)工作狀態(tài)，跟蹤最大輸入功率點(diǎn)；針對(duì)不同空間任務(wù)需求與能量界面參數(shù)，通過(guò)調(diào)整軟件靈活地進(jìn)行電源運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；通過(guò)串口通信方式與上位機(jī)通信，為衛(wèi)星電源系統(tǒng)測(cè)控以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與傳輸提供了良好條件。

2 皮衛(wèi)星智能電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

皮衛(wèi)星智能電源系統(tǒng)基于“太陽(yáng)能電池陣——電源控制系統(tǒng)——蓄電池組”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。電源控制系統(tǒng)作為整個(gè)電源系統(tǒng)的核心部分，主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：微控制單元、一次母線電壓調(diào)節(jié)單元（即峰值功率跟蹤單元）、二次母線電壓調(diào)節(jié)單元（即放電調(diào)節(jié)單元）、充電調(diào)節(jié)單元、電壓電流信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元、串行通信單元等。

電源控制系統(tǒng)的基本工作流程為：根據(jù)預(yù)先設(shè)定的空間環(huán)境參數(shù)，由太陽(yáng)電池陣模擬器形成電源系統(tǒng)的初始輸入；初始輸入經(jīng)過(guò)一次母線電壓調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)，形成與蓄電池組工作電壓相匹配的一次母線電壓7.2V～8.4V，同時(shí)完成對(duì)輸入峰值功率的跟蹤與鎖定；供給二次母線的功率經(jīng)過(guò)二次母線調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，分別為星上負(fù)載提供5V與3.3V兩種二次母線電壓；電壓電流信號(hào)采集單元不斷采集初始輸入、一次母線、蓄電池組、二次母線等各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓電流信號(hào)，經(jīng)由電壓跟隨器、一階濾波電路與多路信號(hào)選通芯片，送入微控制單元進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；微控制器根據(jù)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理與分析，向各級(jí)母線調(diào)節(jié)單元及充電控制單元發(fā)出控制信號(hào)，同時(shí)通過(guò)串行通信單元向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)。

1.1 微控制單元

微控制單元電路以ATMEL 公司推出的ATmega8L單片機(jī)為核心，配以MAX 397雙8通道模擬多路器與MAX 6129參考電壓源等外圍設(shè)備組成，如圖2所示。ATmega8L單片機(jī)是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS的8位高檔單片機(jī)，具有接近1 MIPS/MHZ的高速運(yùn)行處理能力。ATmega8L具有23路可編程多功能I/O端口，八通道10位A/D轉(zhuǎn)換和三通道16位以內(nèi)的PWM輸出功能，因此在系統(tǒng)中完成10位信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換與處理，MPPT算法實(shí)現(xiàn)以及31.25KHz PWM控制信號(hào)輸出等重要功能。

1.2 一次母線電壓調(diào)節(jié)單元（峰值功率跟蹤單元）

一次母線電壓調(diào)節(jié)單元電路以Boost DC/DC電壓變換電路為核心，同時(shí)增加了以兩個(gè)MOSFET組合而成的一次母線控制開(kāi)關(guān)，如圖3所示。Boost電壓變換電路由MOSFET開(kāi)關(guān)管Q1，續(xù)流二極管D3、D4，儲(chǔ)能電感L2與濾波電容C13組成，升壓變換比滿足

M = Vout/Vin = 1/ (1-D) （1）

由于一次母線輸出電壓Vout被鉗位在蓄電池組工作電壓，即7.2V～8.4V區(qū)間某特定值，則調(diào)整微處理單元發(fā)出的PWM控制信號(hào)占空比D，可調(diào)整輸入電壓（即太陽(yáng)電池陣輸出電壓）Vin。在此基礎(chǔ)上，調(diào)用峰值功率跟蹤（MPPT）算法，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣輸出功率最大化。

1.3 電流電壓信號(hào)采集單元

信號(hào)采集單元以MAX4373F電流傳感放大器與分壓精密電阻為核心，采集初始輸入、一次母線、蓄電池組、5/3.3V二次母線等6處節(jié)點(diǎn)的電壓電流信號(hào)。信號(hào)送入集成運(yùn)放LM234進(jìn)行電壓跟隨，再經(jīng)過(guò)一階R-C濾波電路濾去紋波，最終送入MAX397等待A/D轉(zhuǎn)換。

1.4 充電調(diào)節(jié)器單元

蓄電池組充電調(diào)節(jié)器由n-MOSFET與p-MOSFET組合電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)同圖3右側(cè)的電子開(kāi)關(guān)。充電過(guò)程中，MOSFET驅(qū)動(dòng)器輸出高電平信號(hào)，則n-MOSFET IRF3205導(dǎo)通，使p-MOSFET IRF4905的G極電壓近似為0，此時(shí)IRF4905的S極與G極間電壓為正，使IRF4905導(dǎo)通。當(dāng)蓄電池組達(dá)到滿充電壓時(shí)，微處理單元控制電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷。

1.5 二次母線電壓調(diào)節(jié)單元（放電調(diào)節(jié)單元）

由于輸出電壓為特定值，二次母線電壓調(diào)節(jié)單元中采用了MAX649（5V輸出）、MAX651（3.3V輸出）的Buck型DC/DC降壓變換控制芯片。MAX649、MAX651芯片將4.0V～16.5V范圍內(nèi)的任意的一次母線電壓分別轉(zhuǎn)換為3.3V與5V，供給星上各分系統(tǒng)的能量需求。當(dāng)輸出電流處于10mA～1.5A范圍內(nèi)，芯片功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到90％以上。

放電調(diào)節(jié)器同樣由受微控制單元驅(qū)動(dòng)的n-MOSFET與p-MOSFET組合電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成。

1.6 串行通信單元

串行通信單元電路以雙通道串口通信驅(qū)動(dòng)芯片MAX232為核心，使用串口通信標(biāo)準(zhǔn)EIA-RS-232C協(xié)議。MAX232將單片機(jī)輸出的TTL電平信號(hào) “邏輯1電平+5V，邏輯0電平0V”，轉(zhuǎn)化為上位機(jī)RS-232C信號(hào)“邏輯1電平-5～-15V，邏輯0電平+5～+15V”。

3 皮衛(wèi)星智能電源系統(tǒng)的軟件與算法設(shè)計(jì)

3.1 皮衛(wèi)星電源系統(tǒng)控制軟件基本流程

電源系統(tǒng)控制軟件流程主要以“信號(hào)巡回檢測(cè)→PWM控制信號(hào)調(diào)整→系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)傳輸→再次信號(hào)巡回檢測(cè)”過(guò)程為主干，并在“巡檢→控制→數(shù)據(jù)傳輸”過(guò)程中增加充電控制、放電控制等分支控制功能?？刂栖浖捎媚K化思想設(shè)計(jì)，由系統(tǒng)初始化模塊，多路A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾波模塊、數(shù)據(jù)分析與控制模塊、串口通信模塊等組成[3]。

3.2 基于模糊控制邏輯的電導(dǎo)增量MPPT算法

皮衛(wèi)星智能電源系統(tǒng)主要依靠軟件中的MPPT算法實(shí)現(xiàn)其功率的最大化。MPPT算法原理在于：在一定的溫度與光強(qiáng)條件下，衛(wèi)星電源使用的太陽(yáng)電池陣的輸出電壓與電流存在著非線性的關(guān)系，當(dāng)輸出電壓到達(dá)特定值Vmp，與對(duì)應(yīng)電流值Imp之間乘積達(dá)到最大值，即為太陽(yáng)電池陣峰值輸出功率點(diǎn)Pmp。

在峰值功率點(diǎn)處，輸出功率對(duì)輸出電壓的微分

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

進(jìn)一步推導(dǎo)，可得：-dI/dV = I/V 　　?。?）

由此關(guān)系，建立基于模糊控制邏輯的電導(dǎo)增量MPPT算法。

其中，V(n),V(n-1),I(n),I(n-1)分別為當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻的太陽(yáng)電池陣輸出電壓、電流值，D(n),D(n+1)分別為當(dāng)前時(shí)刻與下一時(shí)刻的占空比，△D為占空比調(diào)整步長(zhǎng)。根據(jù)采集的電流、電壓信號(hào)，微處理單元不斷增減PWM信號(hào)占空比，利用Boost電壓變換電路調(diào)整太陽(yáng)電池陣的輸出電壓，從而使工作點(diǎn)到達(dá)峰值功率點(diǎn)Pmp，衛(wèi)星電源系統(tǒng)獲得最大的輸出功率。

進(jìn)一步，在基本算法的基礎(chǔ)上引入模糊控制邏輯，其作用為加快峰值功率跟蹤的速度。模糊邏輯控制器的兩個(gè)輸入變量分別取為當(dāng)前時(shí)刻電導(dǎo)增量差值e(n)= -dI/dV- I/V和占空比調(diào)整步長(zhǎng)△D(n)，輸出變量取為下一時(shí)刻的占空比調(diào)整步長(zhǎng)△D(n+1)。然后建立相應(yīng)的隸屬度函數(shù)與模糊規(guī)則庫(kù)，此處從略。模擬實(shí)驗(yàn)表明，在標(biāo)準(zhǔn)空間環(huán)境條件(AM0,25℃)下，引入模糊控制邏輯后的電導(dǎo)增量MPPT算法，其峰值功率跟蹤所需時(shí)間減少了60％以上。

4 結(jié)論

本文針對(duì)皮衛(wèi)星電源系統(tǒng)的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了一套智能化的航天電源系統(tǒng)，該電源系統(tǒng)以ATmega8L單片機(jī)為核心，對(duì)電源系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理，并運(yùn)用峰值功率跟蹤等控制策略，控制系統(tǒng)工作狀態(tài)。模擬實(shí)驗(yàn)表明，該電源系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)空間環(huán)境條件(AM0,25℃)下，峰值功率跟蹤性能良好，最大輸入功率達(dá)到約2.75W，電源整體效率保持在82％以上。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：采用ATmega8L單片機(jī)為核心控制器，在航天電源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)采集、系統(tǒng)自主功率跟蹤、充放電調(diào)節(jié)以及上、下位機(jī)數(shù)據(jù)通信等智能化控制方法；提出了基于模糊控制邏輯的電導(dǎo)增量MPPT算法，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)輸入峰值功率的跟蹤。