CN102832677A - 基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器 - Google Patents

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金波
刘勇
张婷婷
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本发明涉及一种基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器,太阳电池阵输出的能量经过第一二极管、第二二极管直接传递到负载上;所述太阳电池阵输出的能量,还经过第三二极管、第四二极管,以及由第三开关管、第四开关管连接构成的充电开关,为蓄电池充电;所述第一开关管和第二开关管连接构成调节电路的分流管,该分流管连接在第一二极管和第三二极管之前;所述逻辑及驱动电路分别提供所述第一开关管、第二开关管,及所述第三开关管、第四开关管的驱动信号。本发明将一种比较新颖的控制拓扑应用于S4R型功率调节技术,采用了脉宽调制方式实现卫星电源的充电分流控制功能,继承了S4R型功率调节技术的优点,并且控制电路简单可靠。

Description

基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器
技术领域
本发明适用于航天电源控制技术领域,特别涉及一种基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器。
背景技术
目前,绝大部分航天器电源系统均采用太阳光伏电源系统,又称为太阳电池阵-蓄电池组电源系统。由于航天器运行过程中存在着太阳电池阵和蓄电池工作条件的变化、负载的变化、及长期运行过程中的性能衰减等多种因素,将会导致电源系统输出功率或电压发生变化。为使电源母线电压稳定在负载能够接受的范围内,大部分电源系统配有功率调节器。
由于卫星母线控制方式不一样,相应的母线系统拓扑结构也不一样,其电源控制方式主要可归纳为:S3R型功率调节技术、混合型功率调节技术、S4R型功率调节技术。
1.   S3R功率调节技术
S3R功率调节直接从太阳阵调节母线电压,以负载需要的电流提供给负载功率,并将多余的能量分流掉,与充电电路互相独立。其原理框图见图1。
对于太阳同步轨道需要频繁进行充放电的航天器,S3R功率调节技术存在一定的限制。由于其充电控制器和放电控制器均直接与电源母线相联,当遇到低母线电压体系(如28V)的要求时,蓄电池组的充电电压会受到较大限制,不得不靠减少蓄电池单体数量并扩大蓄电池容量来满足电源系统对电池数目的要求,而蓄电池单体数目的减少和蓄电池单体容量的增加则会带来充电电流的增大,因此在进行太阳同步轨道航天器电源系统设计时,需慎重使用S3R功率调节技术。
2.   混合型功率调节技术
混合型功率调节技术是为克服S3R功率调节技术的局限而产生的,针对太阳同步轨道卫星低母线电压供电体系和需要频繁进行充放电的特点,其主误差放大器在两个线性区间内分别控制分流调节器和放电调节器,减少了控制电路的复杂程度;采用充电阵和供电阵彼此独立的设计技术,通过独立的充电阵对蓄电池组进行充电和控制实现电源系统母线的全调节功能。混合型功率调节技术的框图见图2。该技术缺点在于充电阵与供电阵相分离,当供电阵满足负载功率需求后多余的方阵功率会被白白分流掉,造成整个系统使用效率的下降。
3.  S4R功率调节技术
S4R功率调节技术可以将太阳翼分阵发出的能量直接提供给母线负载并对贮能电源进行充电,图3是利用S4R技术设计的功率调节单元,也是S4R技术的基本组成模块。
S4R型功率调节技术综合了S3R和混合型功率调节技术的优点,克服了混合型功率调节技术使用独立充电阵的现象,将所有太阳翼各分阵的功能进行了扩展,使各个太阳电池阵分阵在光照期时既具有供电阵的功能、又具有充电阵的功能;同时由于该功率调节模块的充电单元是直接联在太阳翼分阵的输出端,可以克服S3R技术中充电控制器联接在母线上所带来功率损耗过大和重量过高的缺点,提高了充电效率。
目前,S4R型功率调节器均采用频率调制方式实现卫星电源的充电分流控制功能,其控制框图如图4所示。图4中蓄电池电压Va和母线电压Vb分别输入误差放大器1和误差放大器2,经过信号放大后得到控制信号Vc和控制信号Vd,控制信号Vc和蓄电池电压基准同时输入滞环比较器a,控制信号Vd和母线电压基准同时滞环比较器b,经过滞环比较后分别得到脉冲信号Ga和Gb,分别对开关管Mc、Md和Ma、Mb的通断进行控制。由于采用放大后的蓄电池电压及母线电压纹波作为滞环比较器的控制信号,脉冲信号Ga和Gb的频率同时受到负载大小及滞环比较器电阻电容值多种因素影响,电路参数的确定较为困难,特别是负载小功率时输出母线电压及蓄电池电压稳定差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器,它采用脉宽调制方式实现卫星电源的充电分流控制功能,与现有技术相比,本发明将一种比较新颖的控制拓扑应用于S4R型功率调节技术,继承了S4R型功率调节技术的优点,并且控制电路简单可靠。
为了达到上述发明目的,本发明是通过以下的技术方案实现的:
提供一种基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器,基于S4R型功率调节技术实现,该调节器包括以下几个部分:逻辑及驱动电路、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和第四开关管M4;
其中,该调节器10外部的太阳电池阵所输出的能量,经过依次连接的第一二极管D1、第二二极管D2直接传递到负载上;
所述太阳电池阵输出的能量,还经过依次连接的第三二极管D3、第四二极管D4,以及由第三开关管M3、第四开关管M4连接构成的充电开关,为蓄电池充电;
所述第一开关管M1和第二开关管M2连接构成调节电路的分流管,该分流管连接在第一二极管D1和第三二极管D3之前;
所述逻辑及驱动电路分别提供所述第一开关管M1、第二开关管M2,及所述第三开关管M3、第四开关管M4的驱动信号。
所述逻辑及驱动电路进一步包括以下部分:
逻辑处理器、锯齿波发生器、第一比较器L1、第二比较器L2、第一比例积分运算器F1、第二比例积分运算器F2、第一差分放大器A1、第二差分放大器A2、蓄电池电压基准模块U1,和母线电压基准模块U2;
蓄电池电压反馈信号V 11经过第一差分放大器A1后输出的电压信号V 12,与蓄电池电压基准模块U1输出的电压信号V 31一起输入第一比例积分运算器F1,第一比例积分运算器F1输出的电压信号V 13与锯齿波发生器输出的电压信号V 33一起输入第一比较器L1进行比较,由第一比较器L1产生充电需求信号V 14;所述充电需求信号V 14是一组能够根据充电状态要求来调整脉冲宽度的脉冲波,对蓄电池充电能量供给和稳定蓄电池充电电压进行控制。
所述逻辑及驱动电路中,母线电压反馈信号V 21经过第二差分放大器A2后输出的电压信号V 22,与母线电压基准模块U2输出的电压信号V 32一起输入第二比例积分运算器F2;第二比例积分运算器F2输出的电压信号V 23与所述锯齿波信号V 33一起输入第二比较器L2进行比较,所述第二比较器L2产生供电需求信号V 24,所述供电需求信号V 24是一组能够根据分流状态要求来调整脉冲宽度的脉冲波,对负载能量供给和稳定母线电压进行控制。
所述第一比较器L1输出的充电需求信号V 14和所述第二比较器L2输出的供电需求信号V 24再一起输入逻辑处理器;由逻辑处理器输出充电管驱动信号G1及分流管驱动信号G2,分别作为所述第三开关管M3、第四开关管M4及所述第一开关管M1、第二开关管M2的驱动电平。
本发明所述的一种基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器,其优点和有益效果是:
1)本发明是在S4R型功率调节技术的基础上提出来的,S4R型功率调节技术综合了S3R和混合型功率调节技术的优点,实行两域控制,既克服了S3R系统三域控制过于复杂,充电控制器直接连在母线上所带来功率损耗过大和重量过重的缺点,同时又克服了混合型功率调节技术中太阳电池阵分阵设计带来的太阳电池能源利用率不高的缺点,较大幅度提高了太阳电池阵对贮能电源充电功率的利用率,该技术代表了当今空间电源系统功率调节技术的发展方向。
2)目前S4R型功率调节器均采用频率调制方式实现卫星电源的充电分流控制功能,其控制过程复杂,电路参数的确定较为困难。本发明将一种比较新颖的控制拓扑应用于S4R型功率调节技术,它采用脉宽调制方式实现卫星电源的充电分流控制功能,与现有技术相比,其控制电路简单可靠,动态性能好,抗干扰能力强,较好地满足了GEO轨道和LEO轨道及深空探测航天器对电源系统的使用要求,具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1是S3R功率调节技术原理框图;
图2 是混合型功率调节技术原理框图;
图3 是S4R功率调节技术原理框图;
图4是现有技术中采用频率调制方式的S4R型功率调节器控制框图;
图5是本发明基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器的构成图;
图6是本发明基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器的示意图。
具体实施方式
如图5所示,本发明所述的基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器10(以下简称调节器),包括以下几个部分:逻辑及驱动电路4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3、第四开关管M4。
该调节器的工作原理为:太阳电池阵1输出的能量经过第一二极管D1、第二二极管D2直接传递到负载2上;二极管前布置的第一开关管M1和第二开关管M2,作为调节电路的分流管使用,第三开关管M3和第四开关管M4作为控制蓄电池3充电的充电开关;太阳电池阵1输出能量经过第三二极管D3、第四二极管D4和第三开关管M3、第四开关管M4为蓄电池3充电;第一开关管M1、第二开关管M2的驱动电平是G1,第三开关管M3、第四开关管M4的驱动电平是G2,驱动信号G1、G2均来自逻辑及驱动电路4。
参见图6所示,所述的逻辑及驱动电路4用于充电分流的控制,其进一步包括逻辑处理器9、锯齿波发生器8、第一比较器L1、第二比较器L2、第一比例积分运算器F1、第二比例积分运算器F2、第一差分放大器A1、第二差分放大器A2、蓄电池电压基准模块U1、母线电压基准模块U2。
该逻辑及驱动电路4的工作原理为:蓄电池电压反馈信号 V 11经过第一差分放大器A1后输出的电压信号 V 12,与蓄电池电压基准模块U1输出的电压信号 V 31一起输入第一比例积分运算器F1,第一比例积分运算器F1输出的电压信号 V 13与锯齿波发生器8输出的电压信号 V 33一起输入第一比较器L1进行比较,以产生一组脉宽可调的脉冲波,即充电需求信号 V 14,因而调节PWM脉冲宽度能够调整充电状态,达到蓄电池充电能量供给和稳定蓄电池充电电压的控制作用。
母线电压反馈信号 V 21经过第二差分放大器A2后输出的电压信号 V 22,与母线电压基准模块U2输出的电压信号 V 32一起输入第二比例积分运算器F2;第二比例积分运算器F2输出的电压信号 V 23与锯齿波信号 V 33一起输入第二比较器L2进行比较,以产生一组脉宽可调的脉冲波,即供电需求信号 V 24,因而调节各分流单元的PWM脉冲宽度能够调整分流状态,达到负载能量供给和稳定母线电压的控制作用。
第一比较器L1输出的充电需求信号 V 14和第二比较器L2输出的供电需求信号 V 24再一起输入逻辑处理器9;由逻辑处理器9输出充电管驱动信号 G 1及分流管驱动信号 G 2,分别作为第三开关管M3、第四开关管M4及第一开关管M1、第二开关管M2的驱动电平。逻辑处理器9的一种优选实施结构,可以参见图2所示。
综上所述,本发明上述的控制电路根据系统母线负载的用电需求,在满足母线负载稳定供电的同时把太阳电池阵的富余功率给蓄电池组充电,能够使多余能量分流,它按系统的控制需求完成供电、充电和分流调节。在控制及逻辑电路设计中融入了供电、充电和分流控制调节的制约协调技术,有效地避免了充电和分流功率管工作时相互干涉现象,保证母线输出电压的稳定。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器,基于S4R型功率调节技术实现,其特征在于,所述调节器(10)包括以下几个部分:逻辑及驱动电路(4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第一开关管(M1)、第二开关管(M2)、第三开关管(M3)和第四开关管(M4);
其中,该调节器(10)外部的太阳电池阵(1)所输出的能量,经过依次连接的第一二极管(D1)、第二二极管(D2)直接传递到负载(2)上;
所述太阳电池阵(1)输出的能量,还经过依次连接的第三二极管(D3)、第四二极管(D4),以及由第三开关管(M3)、第四开关管(M4)连接构成的充电开关,为蓄电池(3)充电;
所述第一开关管(M1)和第二开关管(M2)连接构成调节电路的分流管,该分流管连接在第一二极管(D1)和第三二极管(D3)之前;
所述逻辑及驱动电路(4)分别提供所述第一开关管(M1)、第二开关管(M2),及所述第三开关管(M3)、第四开关管(M4)的驱动信号。
2.如权利要求1所述基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器,其特征在于,
所述逻辑及驱动电路(4)进一步包括以下部分:
逻辑处理器(9)、锯齿波发生器(8)、第一比较器(L1)、第二比较器(L2)、第一比例积分运算器(F1)、第二比例积分运算器(F2)、第一差分放大器(A1)、第二差分放大器(A2)、蓄电池电压基准模块(U1),和母线电压基准模块(U2);
蓄电池电压反馈信号(V 11)经过第一差分放大器(A1)后输出的电压信号(V 12),与蓄电池电压基准模块(U1)输出的电压信号(V 31)一起输入第一比例积分运算器(F1),第一比例积分运算器(F1)输出的电压信号(V 13)与锯齿波发生器(8)输出的电压信号(V 33)一起输入第一比较器(L1)进行比较,由第一比较器(L1)产生充电需求信号(V 14);所述充电需求信号(V 14)是一组能够根据充电状态要求来调整脉冲宽度的脉冲波,对蓄电池充电能量供给和稳定蓄电池充电电压进行控制。
3.如权利要求2所述基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器,其特征在于,
所述逻辑及驱动电路(4)中,母线电压反馈信号(V 21)经过第二差分放大器(A2)后输出的电压信号(V 22),与母线电压基准模块(U2)输出的电压信号(V 32)一起输入第二比例积分运算器(F2);第二比例积分运算器(F2)输出的电压信号(V 23)与所述锯齿波信号(V 33)一起输入第二比较器(L2)进行比较,所述第二比较器(L2)产生供电需求信号(V 24),所述供电需求信号(V 24)是一组能够根据分流状态要求来调整脉冲宽度的脉冲波,对负载能量供给和稳定母线电压进行控制。
4.如权利要求3所述基于脉宽调制的新型卫星电源系统充电分流功率调节器,其特征在于,
所述第一比较器(L1)输出的充电需求信号(V 14)和所述第二比较器(L2)输出的供电需求信号(V 24)再一起输入逻辑处理器(9);由逻辑处理器(9)输出充电管驱动信号(G1)及分流管驱动信号(G2),分别作为所述第三开关管(M3)、第四开关管(M4)及所述第一开关管(M1)、第二开关管(M2)的驱动电平。
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