CN109980653B - 一种航天器远程并网电压控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种航天器远程并网电压控制系统，包括：远端采样模块、比例运算模块、误差运算模块、调节控制模块。远端采样模块采样能源供给航天器向对接航天器输出能源的电压并分压处理，获得分压电压，将分压电压传输给比例运算模块；比例运算模块对分压电压进行比例运算，获得待调节电压并传输给误差运算模块；误差运算模块根据基准电压，获得待调节电压与基准电压之间的误差值，将误差值传输给调节控制模块；调节控制模块：根据误差值确定开关的占空比，根据占空比调节能源供给航天器向对接航天器输出能源的电压。本发明将对接航天器并网能源母线电压进行闭环控制，使得并网点电压浮动范围不超过0.5V，能够弥补并网航天器间长线缆传输导致的电压跌落问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天器远程并网电压控制系统，属于航天器并网供电技术领域。
背景技术
航天器中，提供并网功率的航天器称为并网供给方，功率接受方称为并网接收方。当多个航天器进行交会对接进入组合体状态后，帆板被遮挡的航天器需要通过未被遮挡的航天器对其并网供电，以满足正常在轨运行的供电需求。由于航天器体积较大，并网链路较长，构成了航天器远程并网系统，传统远程并网系统的采用近端电压闭环控制方法，即以近端恒压源的方式进行输出控制，从而导致远程线缆的压降随负载大小而变化，进而导致并网点电压即两航天器对接点电压超出并网接收方的母线电压变化范围。最高会超过3V的电压变化范围，出现并网电压与接收方航天器母线电压不断竞争而波动，严重影响并网接收航天器的用电安全，以至于影响整个航天器远程并网系统的可靠性和安全性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种航天器远程并网电压控制系统，解决了现有航天器远程并网系统电压波动的问题，使得并网电压与并网传输线缆的长度无关，保证并网接收方母线电压的稳定性，并网点电压变化范围可控制在0.5V以内。能够大大提升航天器并网系统的可靠性和灵活性，覆盖并网系统的全面需求。为航天器组合体并网系统构建提供坚实的技术基础，具有广阔的应用前景。
本发明的技术方案是：
一种航天器远程并网电压控制系统，包括：远端采样模块、比例运算模块、误差运算模块、调节控制模块；
远端采样模块：采样能源供给航天器向对接航天器输出能源的电压，将电压分压处理，获得分压电压，将分压电压传输给所述比例运算模块；
比例运算模块：接收所述远端采样模块传输的分压电压，对分压电压进行比例运算，获得待调节电压，将所述待调节电压传输给误差运算模块；
误差运算模块：接收所述比例运算模块传输的所述待调节电压，根据基准电压，获得所述待调节电压与所述基准电压之间的误差值，将所述误差值传输给调节控制模块；
调节控制模块：接收所述误差运算模块传输的误差值，根据误差值确定开关的占空比，根据占空比调节所述能源供给航天器向所述对接航天器输出能源的电压。
所述远端采样模块包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6；
电阻R1的一端作为远端采样模块的输入端连接电缆网正线，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6依次串联；电阻R4的两端作为远端采样模块的输出端连接比例运算模块；电阻R6的一端连接电阻R5，电阻R6的另一端作为远端采样模块的输入端连接电缆网回线。
所述比例运算模块包括：电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C1、电容C2、第一运算放大器U1A；
电阻R7的一端作为比例运算模块的输入端连接电阻R4的一端，电阻R7的另一端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地处理，电阻R9和电容C1并联；电阻R7的另一端连接第一运算放大器U1A的正向输入端；
电阻R8的一端作为比例运算模块的输入端连接电阻R4的另一端，电阻R8的另一端连接电阻R10的一端和第一运算放大器U1A的负向输入端，电阻R10的另一端连接第一运算放大器U1A的输出端，电阻R10和电容C2并联；第一运算放大器U1A的输出端作为比例运算模块的输出端连接误差运算模块的输入端。
所述误差运算模块包括：电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、电容C4、电容C5、第二运算放大器U1B、第一二极管D1；
电阻R11的一端和电阻R12的一端连接后作为误差运算模块的输入端连接比例运算模块的输出端，电阻R11的另一端连接第二运算放大器U1B的负向输入端和电阻R13的一端，第二运算放大器U1B的正向输入端接收外部输入的电压控制基准的电压信号Vref，第二运算放大器U1B的输出端连接第一二极管D1的负极，第一二极管D1的正极作为误差运算模块的输出端连接调节控制模块；电阻R12的另一端连接电容C3的一端，电容C3的另一端分别连接电阻R11的另一端、电阻R13的一端和电容C5的一端，电阻R13的另一端连接电容C4的一端，电容C4的另一端连接第一二极管D1的正极，电容C5的另一端连接第一二极管D1的正极。
所述能源供给航天器分别通过多个航天器远程并网电压控制系统连接多个不同对接航天器。
所述调节控制模块采用PWM控制芯片，所述芯片型号为UC1825L。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明采用远端电压采样和闭环控制的技术，解决了传统航天器远程并网系统由于进行电压近端控制且电缆过长，导致并网点电压随负载波动的问题。本发明可以对远程并网点电压进行闭环精准控制，保证远程并网点电压波动不超过0.5V；广泛适用于各种航天器之间的远程并网系统，可大大提升远程并网系统的电压稳定性；
2)本发明通过远端采样继电器通断控制，可以实现远端电压和近端电压的双控制模式，具有更强的应用灵活性。同时远、近端的冗余设计，可以消除远端采样控制的风险，提升并网系统电压控制的可靠性；使得本发明适用于全部航天器并网系统，具有远近兼顾的功能。
附图说明
图1为本发明远端并网电压控制原理图；
图2为本发明并网电压控制系统原理框图；
图3为本发明远端采样模块原理图；
图4为本发明比例运算模块原理图；
图5为本发明误差运算模块原理图；
图6为本发明调节控制模块占空比产生原理图；
图7为本发明调节控制模块电路原理图。
具体实施方式
本发明根据所述航天器远程并网系统，将对接航天器并网能源母线电压进行闭环控制，使得并网点电压浮动范围不超过0.5V，弥补了并网航天器间长线缆传输导致的电压跌落问题。
图1是本发明远端并网电压控制原理图，能源供给航天器和对接航天器之间通过航天器远程并网电压控制系统相连，将提供并网功率的航天器称为并网供给方，将功率接受方称为并网接收方。当多个航天器进行交互对接进入组合体状态，帆板被遮挡的航天器需要通过未被遮挡的航天器对其并网供电，以满足正常在轨运行的供电需求。航天器1作为并网供给方通过并网系统输出电压U1为作为并网接收方的航天器2提供并网功率。当航天器2受到遮挡导致一次能源提供的电能不足以满足自身使用时，由航天器1通过并网系统为航天器2提供恒定电流I的并网功率。当航天器2的帆板完全被遮挡时，需要航天器1通过并网系统为其提供恒定电压的并网功率。由于航天器间并网通路的电缆网较长，所以送至航天器2一次母线的并网电压U′2会随并网电流的大小而变化，其电压U′2＝U1-I·RL。由于航天器体积较大，并网链路较长，传统的并网控制方法导致并网接收端电压随负载大小而变化，超出并网接收方的母线电压变化范围。应用本发明能源供给航天器可以通过多个航天器远程并网电压控制系统连接多个不同对接航天器。
如图2所示，本发明一种航天器远程并网电压控制系统，远端采样模块、比例运算模块、误差运算模块、调节控制模块。
远端采样模块：采样能源供给航天器向对接航天器输出能源的电压，将电压分压处理，获得分压电压，将分压电压传输给所述比例运算模块；本发明远端采样模块原理具体如图3所示，包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电缆网正线等效电阻RL+、电缆网回线等效电阻RL-。电阻R1的一端作为远端采样模块的输入端连接电缆网正线，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6依次串联；电阻R4的两端作为远端采样模块的输出端连接比例运算模块，输出分压电压Vf；电阻R6的一端连接电阻R5，电阻R6的另一端作为远端采样模块的输入端连接电缆网回线。远端采样模块输出的分压电压Vf＝[R4＊(VLocal+-VLocal-)/(R1+R2+R4+R5+R6)]+[R4＊(VRemote+-VRemote-)/(R2+R4+R5)。同时，两个分别位于远端电压采样正线和回线的磁保持继电器Kremote+和磁保持继电器Kremote-实现对远端电压采样功能的使能控制。当远端采样控制继电器处于接通状态时，远端电压反馈信号有效，将远端电压作为电压反馈分量叠加至本地反馈电压上，从而参与输出电压的闭环控制。当远端采样控制继电器处于断开状态时，远端电压反馈信号无效，仅近端即本地输出电压最为反馈信号参与闭环控制。
比例运算模块：接收所述远端采样模块传输的分压电压，对分压电压进行比例运算，获得待调节电压，将所述待调节电压传输给误差运算模块。比例运算模块原理图如图4所示，包括：电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C1、电容C2、第一运算放大器U1A；电阻R7的一端作为比例运算模块的输入端连接电阻R4的一端，电阻R7的另一端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地处理，电阻R9和电容C1并联；电阻R7的另一端连接第一运算放大器U1A的正向输入端；电阻R8的一端作为比例运算模块的输入端连接电阻R4的另一端，电阻R8的另一端连接电阻R10的一端和第一运算放大器U1A的负向输入端，电阻R10的另一端连接第一运算放大器U1A的输出端，电阻R10和电容C2并联；第一运算放大器U1A的输出端作为比例运算模块的输出端连接误差运算模块的输入端。通过调节R10与R8的比例关系，可以调节待调节电压Vos和分压电压Vf的比例关系，一般选取R8＝R7，R9＝R10，Vos＝-(R10/R8)＊Vf。
误差运算模块：接收所述比例运算模块传输的所述待调节电压，根据基准电压，获得所述待调节电压与所述基准电压之间的误差值VEA，将所述误差值传输给调节控制模块。误差运算模块原理图如图5所示，包括：电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、电容C4、电容C5、第二运算放大器U1B、第一二极管D1；电阻R11的一端和电阻R12的一端连接后作为误差运算模块的输入端连接比例运算模块的输出端，电阻R11的另一端连接第二运算放大器U1B的负向输入端和电阻R13的一端，第二运算放大器U1B的正向输入端接收外部输入的电压控制基准的电压信号Vref，第二运算放大器U1B的输出端连接第一二极管D1的负极，第一二极管D1的正极作为误差运算模块的输出端连接调节控制模块；电阻R12的另一端连接电容C3的一端，电容C3的另一端分别连接电阻R11的另一端、电阻R13的一端和电容C5的一端，电阻R13的另一端连接电容C4的一端，电容C4的另一端连接第一二极管D1的正极，电容C5的另一端连接第一二极管D1的正极。
误差值VEA＝-(Kpi+1/τs)＊Vos+VD1。Kpi＝R13/R11，τ＝R13＊C5为第二运算放大器U1B的积分时间常数。其中，所述VD1为第二运算放大器U1B输出第一二极管D1的导通压降，s是拉普拉斯变算子。误差调节器的传递函数：Wpi(s)＝Kpi+1/τs。突加输入电压Vos时，由于电容C5两端电压不能突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路上只剩下R13，相当于一个放大系数为Kpi的比例调节器，此后随着电容C5被充电，输出电压开始积分，其数值不断增长，直到稳态。此时和积分调节器一样，实现了稳态无静差。
调节控制模块：接收所述误差运算模块传输的误差值，根据误差值确定开关的占空比，根据占空比调节所述能源供给航天器向所述对接航天器输出能源的电压。调节控制模块采用PWM控制芯片，所述芯片型号为UC1825L，由TI公司研制的集成芯片，实现误差信号与载波的交截，产生两路驱动信号的输出。具体为：将误差信号VEA与PWM芯片设置的载波信号进行交截，产生分为A/B两路输出的脉冲信号，作为占空比信号驱动功率拓扑的开关器件。根据所述占空比控制开关管S1、S2、S3、S4的开通与关断。其中A/B两路信号相位相差180度，脉冲宽度与误差信号成正比，其A/B输出典型波形如图6所示，在一个周期中A路输出脉冲从t0时刻开始，B路输出脉冲从t1时刻开始，t0时刻与t1时刻相差T/2。图7是本发明调节控制模块应用的功率变换器的拓扑原理图，采用两交错的双管正激拓扑，其工作原理在此不做详细介绍。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种航天器远程并网电压控制系统，能源供给航天器和对接航天器之间通过航天器远程并网电压控制系统相连，其特征在于，包括：远端采样模块、比例运算模块、误差运算模块、调节控制模块；
远端采样模块：采样能源供给航天器向对接航天器输出能源的电压，将电压分压处理，获得分压电压，将分压电压传输给所述比例运算模块；
比例运算模块：接收所述远端采样模块传输的分压电压，对分压电压进行比例运算，获得待调节电压，将所述待调节电压传输给误差运算模块；
误差运算模块：接收所述比例运算模块传输的所述待调节电压，根据基准电压，获得所述待调节电压与所述基准电压之间的误差值，将所述误差值传输给调节控制模块；
调节控制模块：接收所述误差运算模块传输的误差值，根据误差值确定开关的占空比，根据占空比调节所述能源供给航天器向所述对接航天器输出能源的电压；
所述远端采样模块包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、采样正线磁保持继电器Kremote+和采样回线磁保持继电器Kremote-；
电阻R1的一端作为远端采样模块的输入端连接电缆网正线，电阻R1的另一端连接电阻R2的一端，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6依次串联；电阻R4的两端作为远端采样模块的输出端连接比例运算模块；电阻R6的一端连接电阻R5，电阻R6的另一端作为远端采样模块的输入端连接电缆网回线；采样正线磁保持继电器Kremote+的一端连接对接航天器输入母线正线，采样正线磁保持继电器Kremote+的另一端连接电阻R1的另一端；采样回线磁保持继电器Kremote-的一端连接对接航天器输入母线回线，采样回线磁保持继电器Kremote-的另一端连接电阻R6的一端；
采样正线磁保持继电器Kremote+和采样回线磁保持继电器Kremote-实现对远端电压采样功能的使能控制；当远端采样控制继电器处于接通状态时，远端电压反馈信号有效，将远端电压作为电压反馈分量叠加至本地反馈电压上，从而参与输出电压的闭环控制；当远端采样控制继电器处于断开状态时，远端电压反馈信号无效，仅近端即本地输出电压作为反馈信号参与闭环控制；
远端采样模块输出的分压电压Vf＝[R4*(Vlocal+-Vlocal-)/(R1+R2+R4+R5+R6)]+[R4*(Vremote+-Vremote-)/(R2+R4+R5)；
其中，Vlocal+为本地输出正线电压，Vlocal-为本地输出回线电压；Vremote+为远端采样正线电压，Vremote-为远端采样回线电压。
2.根据权利要求1所述的一种航天器远程并网电压控制系统，其特征在于，所述比例运算模块包括：电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C1、电容C2、第一运算放大器U1A；
电阻R7的一端作为比例运算模块的输入端连接电阻R4的一端，电阻R7的另一端连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端接地处理，电阻R9和电容C1并联；电阻R7的另一端连接第一运算放大器U1A的正向输入端；
电阻R8的一端作为比例运算模块的输入端连接电阻R4的另一端，电阻R8的另一端连接电阻R10的一端和第一运算放大器U1A的负向输入端，电阻R10的另一端连接第一运算放大器U1A的输出端，电阻R10和电容C2并联；第一运算放大器U1A的输出端作为比例运算模块的输出端连接误差运算模块的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种航天器远程并网电压控制系统，其特征在于，所述误差运算模块包括：电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、电容C4、电容C5、第二运算放大器U1B、第一二极管D1；
电阻R11的一端和电阻R12的一端连接后作为误差运算模块的输入端连接比例运算模块的输出端，电阻R11的另一端连接第二运算放大器U1B的负向输入端和电阻R13的一端，第二运算放大器U1B的正向输入端接收外部输入的电压控制基准的电压信号Vref，第二运算放大器U1B的输出端连接第一二极管D1的负极，第一二极管D1的正极作为误差运算模块的输出端连接调节控制模块；电阻R12的另一端连接电容C3的一端，电容C3的另一端分别连接电阻R11的另一端、电阻R13的一端和电容C5的一端，电阻R13的另一端连接电容C4的一端，电容C4的另一端连接第一二极管D1的正极，电容C5的另一端连接第一二极管D1的正极。
4.根据权利要求1～3任意之一所述的一种航天器远程并网电压控制系统，其特征在于，所述能源供给航天器分别通过多个航天器远程并网电压控制系统连接多个不同对接航天器。
5.根据权利要求4所述的一种航天器远程并网电压控制系统，其特征在于，所述调节控制模块采用PWM控制芯片，所述芯片型号为UC1825L。
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