CN106787251A - 一种航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统，通过在航天器交会对接机构上配置一组或若干组无线电能传输单元，每组传输单元由电能发送装置和电能接收装置组成，采用基于电磁感应原理的技术实现电能及信号的无线传输，在传输相同功率的条件下，系统的重量、尺寸与有线电能传输方式相当，效率大于85％，高于有线传输方式。可解决传统电连接器供电模式存在的对接精度要求高，对接接口设计复杂，触点金属裸露、存在打火隐患等问题。
Description
技术领域
本发明属于航天器电源技术领域，涉及一种无线并网供电装置。
背景技术
现有航天器交会对接时的并网供电是通过一台并网控制器和4套浮动电连接器的有线电能传输方式来实现。并网供电时首先通过安装在对接结构周边的4个电路浮动断接器实现两个航天器的电气连接，每个电路浮动断接器的芯数为55芯，其外包络尺寸为37.5mm×37.5mm，连接器插合时的粗定位由对接机构完成，精确定位由连接器自身导向结构完成；然后并网控制器工作实现两个航天器之间母线电压的匹配及功率传输，传输功率为500W，传输效率约为80％。由于该方式通过电连接器插针、插孔对接实现二个航天器之间的并网供电，对航天器器间对接的控制精度要求很高，多次交会对接的情况下，容易发生电连接器插针、插孔损坏；电连接器卡死无法断开；此外由于电连接器的金属插针是裸露的，存在打火隐患及金属腐蚀的问题。
“高效率远距离激光无线能量传输方案设计”(程坤等，航天器工程第24卷第1期，2015年2月)、“激光无线能量传输技术应用及其发展趋势”(李向阳等，航天器工程第24卷第1期，2015年2月)2篇文献中提出一种用于航天器间激光无线能量传输系统，可以避免上述有线电能传输存在的缺点。但该系统存在以下几点问题：1、系统组成单元多，控制复杂。系统由能量发射机和能量接收机组成，能量发射机包括能量激光器、发射天线、发射端转台、发射端转台伺服单元、发射端主控计算机和发射端数据中继单元。能量接收机包括光电转换模块、接收端转台、接收端转台伺服单元、蓄能电池模块、接收端主控计算机和接收端数据中继单元。2、系统的传输功率和效率较低，传输功率小于50W，效率小于20％。3、传输相同功率的条件下，系统的重量重和尺寸大。该系统无法满足航天器交会对接时的并网供电需求。
现有技术中未提出涉及航天器的无线电能传输的相关内容，所提出的无线通信系统仅用于实现单个卫星内部的信号传输，不涉及二个航天器间的信号传输。
发明内容
本发明所解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供了一种航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统，采用基于电磁感应原理的技术实现电能的无线传输，在传输相同功率的条件下，系统的重量、尺寸与有线电能传输方式相当，效率大于85％，高于有线传输方式；可解决传统电连接器供电模式存在的对接精度要求高，对接接口设计复杂，触点金属裸露、存在打火隐患等问题。
本发明所采用的技术解决方案：一种航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统，包括：N组无线电能传输单元；无线电能传输单元包括无线电能发送器、无线电能接收器；每个无线电能发送器分别与一个无线电能接收器对应；其中，N为正整数；
无线电能发送器包括高频逆变电源、原边线圈及谐振补偿电路、原边控制电路；高频逆变电源将服务航天器母线提供的直流电压udc1变换为高频的交流电压uac1，并实现交流电压uac1的频率f1和有效值Uac1的调节；原边线圈及谐振补偿电路将高频逆变电源的输出交流电压uac1转换为原边线圈中的高频电流iac1，驱动原边线圈产生高频磁场并向无线电能接收器提供高频能量，实现电能发送；原边控制电路接收服务航天器数管系统发送的指令，实现高频逆变电路的启动/停止控制；原边控制电路实现对高频逆变电源的控制、故障保护控制、信号采集、与服务航天器的有线通信及与无线电能接收器的无线通信；
无线电能接收器包括副边线圈及谐振补偿电路、整流调压电源、副边控制电路；副边线圈及谐振补偿电路将原边线圈产生的高频磁场转换为副边线圈中的高频电流iac2；整流调压电源将副边线圈输出的交流电压uac2变换为直流电压udc2、高频电流iac2转换为直流电流idc2，并实现电压幅值的调节及稳压控制，并将稳定的直流电压udc2传输给目标航天器的功率母线；副边控制电路实现整流调压电源的调压控制、故障保护控制、信号采集、与目标航天器的有线通信及与无线电能发送器的无线通信；
原边控制电路与服务航天器数管间采用有线通信的形式，副边控制电路与目标航天器数管采用有线通信的形式；原边控制电路、副边控制电路之间采用无线通信，副边控制电路通过与原边控制电路的无线通信将目标航天器的交流电压uac2、高频电流iac2信息传递给无线电能发送器。
所述高频逆变电源包括开关管Q1～Q4、二极管D1～D4、电容C1～C4；电路采用全桥移相电路，开关管Q1漏极与二极管D1的阴极相连，开关管Q1源极与二极管D1的阳极相连，二极管D1与电容C1并联；开关管Q2漏极与二极管D2的阴极相连，开关管Q2源极与二极管D2的阳极相连，二极管D2与电容C2并联；开关管Q3漏极与二极管D3的阴极相连，开关管Q3源极与二极管D3的阳极相连，二极管D3与电容C3并联；开关管Q4漏极与二极管D4的阴极相连，开关管Q4源极与二极管D4的阳极相连，二极管D4与电容C4并联；开关管Q1源极与开关管Q3漏极连接，开关管Q2源极与开关管Q4漏极连接；直流电压udc1的正极与开关管Q1漏极、开关管Q2漏极相连，负极与开关管Q3源极、开关管Q4源极相连；开关管Q1源极、开关管Q2源极之间输出交流电压uac1；开关管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极分别输入驱动信号g1、g2、g3、g4。
所述原边控制电路包括信号采集电路、AD变换器、微控制器、脉冲驱动器、通信电路；信号采集电路对直流电压udc1、直流电流idc1、交流电压uac1、高频电流iac1进行信号采集、调理，并将模拟量输入到AD变换器中；AD变换器将信号采集电路的输入信号变为数字信号，传输给微控制器；微控制器接收通信电路发送的遥测、遥控信号，通过电能发送控制算法生成高频逆变电源中开关管的驱动信号传输至脉冲驱动器；脉冲驱动器将开关管的驱动信号发送至高频逆变电源；通信电路接收服务航天器数管的遥测、遥控信号并将遥测、遥控信号发送至微控制器，通信电路实现无线电能发送器、无线电能接收器之间的无线信号传输。
所述原边线圈及谐振补偿电路或副边线圈及谐振补偿电路中，原边线圈、副边线圈的磁芯为E型磁芯；补偿电路的补偿方式采用原边串联、副边串联补偿，原边线圈的等效电感Lp与原边串联补偿电容Cp串联，副边线圈的等效电感Ls与副边串联补偿电容Cs串联，原边线圈的等效电感Lp与副边线圈的等效电感Ls之间产生耦合磁场。
所述整流调压电路采用不控整流方式，并通过DC/DC变换器将无线电能接收器的输出电压转换为适应目标航天器的稳定的直流母线电压。
所述副边控制电路包括信号采集电路、AD变换器、微控制器、脉冲驱动器、通信电路；信号采集电路对直流电压udc2、直流电流idc2、交流电压uac2、高频电流iac2进行信号采集、调理，并将模拟量输入到AD变换器中；AD变换器将信号采集电路的输入信号变为数字信号，传输给微控制器；微控制器接收通信电路发送的遥测、遥控信号，通过电能发送控制算法生成整流调压电路中开关管的驱动信号传输至脉冲驱动器；脉冲驱动器将开关管的驱动信号发送至整流调压电路；通信电路接收目标航天器数管的遥测、遥控信号并将遥测、遥控信号发送至微控制器，通信电路实现无线电能发送器、无线电能接收器之间的无线信号传输。
所述原边控制电路或副边控制电路包括故障保护模块；故障保护模块监控微控制器发送的信息，并控制脉冲驱动器对驱动信号的发送，实现无线电能发送器、无线电能接收器的故障保护功能，包括主功率通路输入过流、输出过流、输入过压、欠压保护功能。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明由于具有无线电能发送器和无线电能接收器，且通过二者之间的磁感应耦合作用实现了电能的无线传输，不再需要使用电连接器，因此无金属裸露的问题，不会发生打火等安全性问题。
(2)本发明由于不存在电联接插接，仅需无线电能发送器与无线电能接收器对准即可实现电能的传输，因此可显著降低交会对接时对航天器控制精度的要求，简化交会对接机构的设计。
(3)本发明由于在原、副边控制电路中设计了无线通信电路，在实现电能无线传输的同时可以实现航天器间遥测信号和遥控指令的双向传输。
(4)本发明由于在高频逆变电源、整流及调压电路中采用了软开关控制，并通过对系统工作频率的优化设计，可有效提高系统各模块的效率，包括高频逆变电源效率大于等于95％，整流及调压电路效率大于等于94％，线圈间能量传输效率大于等于92％@5cm，从而使系统效率大于等于82％@5cm，大于目前采用并网控制器及导线传输时80％的系统效率。
附图说明
图1(a)、图1(b)为本发明的交会对接装置结构示意图；
图2(a)为本发明的无线电能发送器正视图；
图2(b)为本发明的无线电能发送器和无线电能接收器对接后的侧视图；
图2(c)为本发明的无线电能接收器正视图；
图3为本发明的系统组成框图；
图4为本发明的高频逆变电源结构示意图；
图5为原边控制电路示意图
图6为本发明的整流及调压电路结构示意图；
图7为副边控制电路示意图
图8为本发明的原、副边补偿电路示意图；
图9为本发明的系统工作流程示意图。
具体实施方式
航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统，包括：
根据两个航天器之间并网供电传输功率的要求，系统配置一组或若干组无线电能传输单元。每组无线电能传输单元由一台无线电能发送器2与一台无线电能接收器4组成。
如图1(a)、图1(b)所示，为本发明的航天器对接结构示意图，本发明即是由图1中的无线电能发送器2和无线电能接收器4构成的航天器并网供电无线电能传输系统，根据并网供电功率需求，由若干组无线电能发送器2与无线电能接收器4组成，图1中以4组为例。无线电能发送器2沿周向分布在服务航天器对接环1边缘，无线电能接收器4沿周向分布在目标航天器对接环3边缘，每个无线电能发送器2分别与一个无线电能接收器4位置对应。图2(a)、图2(b)、图2(c)所示为无线电能发送器2与无线电能接收器4的外形图，及交会对接完成后一组无线电能发送器2与无线电能接收器4的位置关系图，无线电能发送器2与无线电能接收器4之间的垂直距离d不大于5cm。
航天器交会对接器间并网供电无线电能传输示意图如图3所示。服务航天器对目标航天器交会对接并进行无线电能传输。无线电能传输系统包括电能发送与电能接收两个部分。电能发送部分主要由高频逆变电源和原边线圈及谐振补偿电路、原边控制电路组成，高频逆变电源将服务航天器的直流电转换为线圈中的高频电流，用以驱动原边线圈产生磁场并向其提供高频能量，实现无线电能传输。电能接收部分由接收线圈和能量变换装置组成，能量变换装置将线圈中的高频电流整流调压处理后以稳定的直流母线形式提供给目标航天器的用电设备。
高频逆变电源的电路原理图如图4所示，电路采用全桥移相电路拓扑结构，通过定频移相控制进行控制。其中Q1～Q4是四个开关管，D1～D4为四个开关管的寄生二极管，C1～C4为四个开关管的寄生电容或者外部电容。同一桥臂的两个开关管以180°互补导通，Q1和Q3分别超前于Q2和Q4，一般称Q1和Q3为超前臂，Q2和Q4为滞后臂。移相全桥零电压软开关是通过谐振电感和开关管寄生电容谐振来实现的。开关管Q1漏极与二极管D1的阴极相连，开关管Q1源极与二极管D1的阳极相连，二极管D1与电容C1并联；开关管Q2漏极与二极管D2的阴极相连，开关管Q2源极与二极管D2的阳极相连，二极管D2与电容C2并联；开关管Q3漏极与二极管D3的阴极相连，开关管Q3源极与二极管D3的阳极相连，二极管D3与电容C3并联；开关管Q4漏极与二极管D4的阴极相连，开关管Q4源极与二极管D4的阳极相连，二极管D4与电容C4并联；开关管Q1源极与开关管Q3漏极连接，开关管Q2源极与开关管Q4漏极连接；直流电压udc1的正极与开关管Q1漏极、开关管Q2漏极相连，负极与开关管Q3源极、开关管Q4源极相连；开关管Q1源极、开关管Q2源极之间输出交流电压uac1；开关管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极分别输入驱动信号g1、g2、g3、g4
整流调压电路采用图6所示结构，采用不控整流方式，并通过DC/DC变换器将无线电能接收器的输出电压转换为适应目标航天器的稳定的直流母线电压。
原、副边线圈的谐振补偿电路如图8所示，松耦合变压器漏感较大，导致整个电路功率因素较低，系统无功功率较大，电源负担较重。补偿电路是通过增加补偿电容，使之与松耦合变压器的等效电感构成LC谐振电路，从而提高传输能力，增大功率因数。具体的补偿方式采用原边串联—副边串联补偿方式，Lp、Cp分别为原边线圈的等效电感和原边串联补偿电容，Ls、Cs为副边线圈的等效电感和副边串联补偿电容。
原、副边线圈磁芯选定为E型磁芯。由于“集肤效应”，高频交流电通过电缆时，电流将集中在导体表面流过，导线内部实际上电流很小，结果使它的电阻增加。导线电阻的增加,使它的损耗功率也增加。利兹(Litz)线由很多单芯绝缘的芯线组成。
系统工作的流程图如图9所示，服务航天器与目标航天器在轨进行交会对接，航天器检测交会对接的完成状态，当检测到对接完成时，服务航天器数管发送对接成功指令给原边控制电路；如此时需要进行并网供电，服务航天器配电器闭合开关接通一次母线，给无线电能发送器2即无线电能发送器主电路上电，然后目标航天器配电器闭合开关接通无线电能接收器4输出母线至外部用电设备，同时服务航天器数管将主电路上电状态发送给原边控制电路，目标航天器数管将目标航天器负载接通状态发送给副边控制电路。之后服务航天器数管发送指令给无线电能发送器2，启动电能传输，系统实现两器并网供电的功能，此时原边控制电路、副边控制电路检测发送/停止指令、检测电压、电流、温度是否正常，如参数正常则继续工作，如检测到故障状态或接收到停止指令，则封锁主电路开关管的控制脉冲信号，并将状态信息发送给服务航天器和目标航天器的数管系统，等待下一次工作指令。
系统的电能传输过程如下：
系统开始工作时，首先是判断服务航天器对接环1和目标航天器对接环3是否对接成功，如果对接成功，服务航天器和目标航天器的数管系统会接收到对接成功的状态信息。之后服务航天器配电器闭合开关接通一次母线给无线电能发射器2；目标航天器闭合开关接通无线电能接收器4的输出母线至用电设备。
随后服务航天器数管发送指令给无线电能发射器2，启动电能传输，将电能传送至无线电能接收器4。
无线电能发送器2用于实现电能的发送。该装置包括高频逆变电源、原边线圈及谐振补偿电路、原边控制电路三部分。高频逆变电源用于将服务航天器母线提供的直流电压udc1变换为高频的交流电压uac1，并可以实现交流电压uac1的频率f1和有效值Uac1的调节。原边线圈及谐振补偿电路用于将高频逆变电源的输出电压uac1转换为线圈中的高频电流iac1，驱动原边线圈产生高频磁场并向无线电能接收器提供高频能量，实现电能发送。原边控制电路功能一是接收服务航天器数管系统发送的指令，实现高频逆变电路的启动/停止控制；二是实现逆变控制、故障保护控制、信号采集、与服务航天器的有线通信、及与无线电能接收器的无线通信。图5中原边控制电路的信号采集电路对服务航天器母线提供的直流电压udc1，服务航天器母线提供的直流电流idc1，高频的交流电压uac1，高频电流iac1进行信号调理，并将模拟量输入到AD变换器中，AD变换器将输入信号变为数字信号，传输给微控制器，微控制器通过电能发送控制算法生成图4高频逆变电路中开关器件Q1、Q2、Q3、Q4的驱动信号g1、g2、g3、g4。高频逆变电路在驱动电路的控制下将udc1变换为高频的交流电压uac1。
无线电能接收器4用于实现无线电能的接收，并将其转换为目标航天器可以使用的电能。该装置包括副边线圈及谐振补偿电路、整流及调压电源、副边控制电路三部分。副边线圈及谐振补偿电路用于将原边线圈产生的高频磁场转换为线圈中的高频电流iac2，整流调压电源用于将副边线圈中的交流电压uac2变换为直流电压udc2、高频电流iac2转换为直流电流idc2，并实现电压幅值的调节及稳压控制，并将稳定的直流电压传输给目标航天器的功率母线。副边控制电路用于实现整流调压电源的调压控制、故障保护控制、信号采集、与目标航天器的有线通信及与无线电能发送器的无线通信。图7中副边控制电路的信号采集电路对直流电压udc2，直流电流idc2，副边线圈中的交流电压uac2，高频电流iac2进行信号调理，并将模拟量输入到AD变换器中，AD变换器将输入信号变为数字信号，传输给微控制器，微控制器通过电能发送控制算法生成图6整流调压电路中开关器件的驱动信号。整流及调压电路将uac2变换为目标航天器负载需要的直流电压udc2。
原边线圈及谐振补偿电路、副边线圈及谐振补偿电路，为增强系统功率传输性能，无线电能接收器应具备原、副边补偿功能，副边补偿采用补偿电容在系统工作频率下与副边线圈电感进行完全谐振。
信号的无线传输功能，服务航天器与原边控制电路间采用有线通信的形式，目标航天器与副边控制电路采用有线通信的形式，原、副边控制电路通过Zigbee实现无线通信，副边控制电路通过与原边控制电路的无线通信，将目标航天器的uac2、iac2等信息传递给无线电能发送器，从而两航天器之间的信息可以无线传输。
故障保护功能，无线电能发送器2、无线电能接收器4具备硬件故障保护功能，包括主功率通路输入过流、输出过流、输入过压、欠压保护功能。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (7)
1.一种航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统，其特征在于，包括：N组无线电能传输单元；无线电能传输单元包括无线电能发送器(2)、无线电能接收器(4)；每个无线电能发送器(2)分别与一个无线电能接收器(4)对应；其中，N为正整数；
无线电能发送器(2)包括高频逆变电源、原边线圈及谐振补偿电路、原边控制电路；高频逆变电源将服务航天器母线提供的直流电压udc1变换为高频的交流电压uac1，并实现交流电压uac1的频率f1和有效值Uac1的调节；原边线圈及谐振补偿电路将高频逆变电源的输出交流电压uac1转换为原边线圈中的高频电流iac1，驱动原边线圈产生高频磁场并向无线电能接收器提供高频能量，实现电能发送；原边控制电路接收服务航天器数管系统发送的指令，实现高频逆变电路的启动/停止控制；原边控制电路实现对高频逆变电源的控制、故障保护控制、信号采集、与服务航天器的有线通信及与无线电能接收器的无线通信；
无线电能接收器(4)包括副边线圈及谐振补偿电路、整流调压电源、副边控制电路；副边线圈及谐振补偿电路将原边线圈产生的高频磁场转换为副边线圈中的高频电流iac2；整流调压电源将副边线圈输出的交流电压uac2变换为直流电压udc2、高频电流iac2转换为直流电流idc2，并实现电压幅值的调节及稳压控制，并将稳定的直流电压udc2传输给目标航天器的功率母线；副边控制电路实现整流调压电源的调压控制、故障保护控制、信号采集、与目标航天器的有线通信及与无线电能发送器的无线通信；
原边控制电路与服务航天器数管间采用有线通信的形式，副边控制电路与目标航天器数管采用有线通信的形式；原边控制电路、副边控制电路之间采用无线通信，副边控制电路通过与原边控制电路的无线通信将目标航天器的交流电压uac2、高频电流iac2信息传递给无线电能发送器。
2.根据权利要求1所述的一种航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统，其特征在于：所述高频逆变电源包括开关管Q1～Q4、二极管D1～D4、电容C1～C4；电路采用全桥移相电路，开关管Q1漏极与二极管D1的阴极相连，开关管Q1源极与二极管D1的阳极相连，二极管D1与电容C1并联；开关管Q2漏极与二极管D2的阴极相连，开关管Q2源极与二极管D2的阳极相连，二极管D2与电容C2并联；开关管Q3漏极与二极管D3的阴极相连，开关管Q3源极与二极管D3的阳极相连，二极管D3与电容C3并联；开关管Q4漏极与二极管D4的阴极相连，开关管Q4源极与二极管D4的阳极相连，二极管D4与电容C4并联；开关管Q1源极与开关管Q3漏极连接，开关管Q2源极与开关管Q4漏极连接；直流电压udc1的正极与开关管Q1漏极、开关管Q2漏极相连，负极与开关管Q3源极、开关管Q4源极相连；开关管Q1源极、开关管Q2源极之间输出交流电压uac1；开关管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极分别输入驱动信号g1、g2、g3、g4。
3.根据权利要求2所述的一种航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统，其特征在于：所述原边控制电路包括信号采集电路、AD变换器、微控制器、脉冲驱动器、通信电路；信号采集电路对直流电压udc1、直流电流idc1、交流电压uac1、高频电流iac1进行信号采集、调理，并将模拟量输入到AD变换器中；AD变换器将信号采集电路的输入信号变为数字信号，传输给微控制器；微控制器接收通信电路发送的遥测、遥控信号，通过电能发送控制算法生成高频逆变电源中开关管的驱动信号传输至脉冲驱动器；脉冲驱动器将开关管的驱动信号发送至高频逆变电源；通信电路接收服务航天器数管的遥测、遥控信号并将遥测、遥控信号发送至微控制器，通信电路实现无线电能发送器(2)、无线电能接收器(4)之间的无线信号传输。
4.根据权利要求2或3所述的一种航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统，其特征在于：所述原边线圈及谐振补偿电路或副边线圈及谐振补偿电路中，原边线圈、副边线圈的磁芯为E型磁芯；补偿电路的补偿方式采用原边串联、副边串联补偿，原边线圈的等效电感Lp与原边串联补偿电容Cp串联，副边线圈的等效电感Ls与副边串联补偿电容Cs串联，原边线圈的等效电感Lp与副边线圈的等效电感Ls之间产生耦合磁场。
5.根据权利要求4所述的一种航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统，其特征在于：所述整流调压电路采用不控整流方式，并通过DC/DC变换器将无线电能接收器(2)的输出电压转换为适应目标航天器的稳定的直流母线电压。
6.根据权利要求5所述的一种航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统，其特征在于：所述副边控制电路包括信号采集电路、AD变换器、微控制器、脉冲驱动器、通信电路；信号采集电路对直流电压udc2、直流电流idc2、交流电压uac2、高频电流iac2进行信号采集、调理，并将模拟量输入到AD变换器中；AD变换器将信号采集电路的输入信号变为数字信号，传输给微控制器；微控制器接收通信电路发送的遥测、遥控信号，通过电能发送控制算法生成整流调压电路中开关管的驱动信号传输至脉冲驱动器；脉冲驱动器将开关管的驱动信号发送至整流调压电路；通信电路接收目标航天器数管的遥测、遥控信号并将遥测、遥控信号发送至微控制器，通信电路实现无线电能发送器(2)、无线电能接收器(4)之间的无线信号传输。
7.根据权利要求3或6所述的一种航天器交会对接并网供电的无线电能及信号传输系统，其特征在于：所述原边控制电路或副边控制电路包括故障保护模块；故障保护模块监控微控制器发送的信息，并控制脉冲驱动器对驱动信号的发送，实现无线电能发送器(2)、无线电能接收器(4)的故障保护功能，包括主功率通路输入过流、输出过流、输入过压、欠压保护功能。
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