CN109995013A - 一种提升飞行器长线供电动态响应性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，通过阻值、重量和电容参数的方面精细设计长线电缆，选用不同等级导线减小分布电容电感，减小长线对母线特性的影响。还对升压控制器的输出滤波网络和升压电路设计方面进行整合优化，进一步稳定了升压控制器输出端的母线特性，从源头减小纹波和负载动态变化对母线调节的影响。改进后的卫星供电控制器能够为载荷卫星负载直接供电，减少电源突变或引入干扰对载荷卫星负载二次电源模块的冲击，进一步保证为载荷卫星工作的寿命和可靠性。

Description

一种提升飞行器长线供电动态响应性能的方法

技术领域

本发明涉及一种提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，属于飞行器电气系统设计领域。

背景技术

电气供电系统是系统所有用电设备的基础，也是运载火箭和载荷卫星整体质量可靠的关键所在。随着电气系统设计的不断发展和进步，电路也越来越复杂化，对电源的功率输出和母线特性要求越来越高，尤其载荷卫星星上设备对电源母线特性要求更是严格。为了满足载荷卫星高电压母线的供电方式，飞行器卫星供电系统采用了电池和升压控制器结合的方案，提升电池电压，满足载荷卫星要求。在正常工作期间，电池组通过供电控制器调节母线，可以将母线稳定在要求的电压值上，供电母线的品质高，对负载的兼容性通用性强，其性能指标优越，接口简单清晰，可靠性高，并且在国内外有载荷卫星成功在轨飞行的经验。

升压控制器采用Weinberg变换器方式，其主要优点：1)脉宽调制(PWM)推挽开关损耗小，效率高；2)变压器自感减缓了开关开通过程中的电流变化率；3)等效PWM频率是实际频率的两倍，可以获得更宽带宽，采用更小的电感和电容；4)输出电流连续，纹波小。Weinberg变换器的效率能够达到96％以上，单个变换器适合输出1kW至2kW功率。由于具有很高的带宽，当负载在100％到0之间变化时，输出电压波动能够控制在2％之内，采用此方式的升压器母线特性在其输出端口很好。为了保证可靠性要求，通常采用多个变换器并联输出供电的方式，既增加供电功率又可以提高控制器的可靠性。

由于飞行器升压控制器与飞行器载荷卫星用电设备距离较远，一般要经过10m左右长电缆传输。升压控制器的输出母线受到长电缆分布电容和电感的影响，输出母线特性及母线动态响应都会随之变化，母线纹波增加，动态特性调节幅度变大，时间变长。

如何同时减小母线纹波和传输影响是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明针对Weinberg变换器的升压供电电路和三个升压变化器并联同时输出的冗余工作方式，经过长线传输后，纹波增大和动态响应变缓的现象，提供一种提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，从纹波等特性的产生源头和长线电缆传输路径两方面入手，减小纹波的产生同时减小传输影响，稳定输出电压，达到载荷卫星负载的供电母线要求。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种提升飞行器长线供电动态响应性能的滤波网络设计方法，包括如下步骤：

(1)获取现有滤波网络总容值；

(2)升压模块的输出端冗余设置高频滤波器，在负载用电输入端冗余设置高频滤波器；在不改变滤波网络总容值的情况下，在汇总母线汇总处设置多个低频滤波器和多个高频滤波器；

(3)供电品质测试试验，采用实际线缆连接模拟负载；

(4)分别测试载荷卫星在低功率、平均功率和峰值功率情况下的母线纹波、尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线动态响应调节情况，如果均满足设计要求则确定该滤波网络设计；否则调整滤波网络升压模块高频滤波器、负载用电输入端高频滤波器、汇总母线汇总处的低频滤波器和高频滤波器的数量，直至卫星在低功率、平均功率和峰值功率情况下的母线纹波、尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线动态响应调节情况均满足设计要求。

优选的，步骤(4)中调整滤波网络升压模块高频滤波器、负载用电输入端高频滤波器、汇总母线汇总处的低频滤波器和高频滤波器的数量的方法为：

如果低功率、平均功率或峰值功率情况下的母线纹波存在超差情况，则增加航天器负载用电输入端的高频滤波器数量，直至母线纹波不超差；如果尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线电压偏离中心点超过阈值，则增加汇总母线汇总处多个高频滤波器的数量，直至母线电压偏离中心点满足阈值要求；尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线调节速率慢，则减少汇总母线汇总处低频滤波器的数量，直至母线调节速率满足要求。

同时提供一种提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，包括：

(1)优化滤波网络

1.1获取现有滤波网络总容值；

1.2升压模块的输出端冗余设置高频滤波器，在负载用电输入端冗余设置高频滤波器；在不改变滤波网络总容值的情况下，在汇总母线汇总处设置多个低频滤波器和多个高频滤波器；

1.3供电品质测试试验，采用实际线缆连接模拟负载；

1.4分别测试载荷卫星在低功率、平均功率和峰值功率情况下的母线纹波、尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线动态响应调节情况，如果均满足设计要求则确定该滤波网络设计；否则调整滤波网络升压模块高频滤波器、负载用电输入端高频滤波器、汇总母线汇总处的低频滤波器和高频滤波器的数量，直至卫星在低功率、平均功率和峰值功率情况下的母线纹波、尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线动态响应调节情况均满足设计要求；

(2)精细传输电缆设计

2.1根据线缆连接器最小焊杯的焊接要求，选择线芯直径的尺寸，根据该尺寸确定常规电缆每米阻值R0；

2.2根据所需电缆长度L和电路的线路要求n，计算电缆阻值，R＝2*L*R0/n；

2.3根据低功率和峰值功率情况下的电流I1和I2，计算电缆压降U1和U2，判断电缆压降U1和U2是否满足卫星供电要求，如果满足则采用该阻值电缆，否则更换电缆内部导体，选择阻值更小电缆；如果阻值更小电缆仍不能满足要求，则更改线缆连接器，增大最小焊杯，返回步骤(1)或者增加n的数量返回步骤(2)。

优选的，步骤(4)中调整滤波网络升压模块高频滤波器、负载用电输入端高频滤波器、汇总母线汇总处的低频滤波器和高频滤波器的数量的方法为：

如果低功率、平均功率或峰值功率情况下的母线纹波存在超差情况，则增加航天器负载用电输入端的高频滤波器数量，直至母线纹波不超差；如果尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线电压偏离中心点超过阈值，则增加汇总母线汇总处多个高频滤波器的数量，直至母线电压偏离中心点满足阈值要求；尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线调节速率慢，则减少汇总母线汇总处低频滤波器的数量，直至母线调节速率满足要求。

优选的，步骤1.3中，选择阻值更小电缆，选择的顺序为铜导体、铜镀锡、铜镀银。

优选的，步骤1.3中，选择阻值更小电缆时，对于阻值更小电缆，选择芯线股数最少的电缆。

优选的，还包(3)在变压器隔离驱动电路中增加一级跟随电路。

优选的，跟随电路包括运算放大器，电阻和电容；跟随电路的正输入端连接变压器隔离驱动电路原输出端，电容和电阻串联连接在跟随电路的负输入端和输出端之间。

优选的，如果跟随电路的速度无法满足转化效率的要求，则增大电阻阻值。

优选的，对于卫星负载，每个升压模块的输出端冗余设置1组高频滤波器，在负载用电输入端冗余设置1组高频滤波器；在汇总母线汇总处设置15组低频滤波器和19组高频滤波器。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明通过阻值、重量和电容参数的方面精细设计长线电缆，选用不同等级导线减小分布电容电感，减小长线对母线特性的影响。还对升压控制器的输出滤波网络和升压电路设计方面进行整合优化，进一步稳定了升压控制器输出端的母线特性，从源头减小纹波和负载动态变化对母线调节的影响。

(2)通过最后的测试验证，本发明的改善方法可以有效降低Weinberg变换器的升压供电电路的尖峰干扰，减小纹波和母线动态响应时间。10m供电电源线不会引起供电母线上尖峰干扰，同时母线的纹波能够控制在一个可以接收的范围，母线动态响应也相应得到改善。改进后的卫星供电控制器能够为载荷卫星负载直接供电，减少电源突变或引入干扰对载荷卫星负载二次电源模块的冲击，进一步保证为载荷卫星工作的寿命和可靠性。

(3)本发明的供电方法适用于传输线缆大于等于10m，直流传输，且平均功率大于1000W的场景，解除传输干扰。

附图说明

图1为飞行器与有效载荷供电测试示意图；

图2(a)为载荷卫星工作电流2.6A时的输出电压实测图，图2(b)为载荷卫星工作电流9A时的输出电压实测图；图2(c)为载荷卫星工作电流13.4A时的输出电压实测图，图2(d)为载荷卫星工作电流9A时加200W阶跃后的输出电压实测图；

图3(a)为载荷卫星工作电流2.6A时改善后卫星供电控制器供电品质测试图；图3(b)为载荷卫星工作电流9A时改善后卫星供电控制器供电品质测试图；图3(c)为载荷卫星工作电流13.4A时改善后卫星供电控制器供电品质测试图，图3(d)为载荷卫星工作电流9A时加200W阶跃后的改善后卫星供电控制器供电品质测试图；

图4为卫星供电控制器滤波网络组成示意图；

图5为功率管驱动电路示意图。

具体实施方式

在飞行器飞行的期间，由箭上卫星供电系统向载荷卫星提供电源用以维持载荷卫星箭上设备正常工作和热控保护。卫星供电系统通过提升电池母线电压满足按照载荷卫星箭上电源和各单机的功率及母线特性要求，本发明应用可以解决飞行器仪器与载荷卫星仪器之间供电距离远，经过长距离电缆的传输后，供电母线特性不易控制的问题，其应用提高给载荷卫星母线特性，使载荷卫星仪器供电环境变好，提高载荷卫星电源系统的可靠性。

根据实际飞行器与载荷卫星的供电关系，在地面进行模拟，测试方法见图1。电池采用一般锌银蓄电池，卫星供电控制器采用Weinberg变换器的升压供电电路和三个升压变化器并联同时输出的设计思路。经过10m长的箭上/星上电缆到载荷卫星负载的测量点。

载荷卫星方改变不同的负载用电设备，使载荷卫星供电系统长线输出供电电流为2.6A，9A，13.4A三个值。通过示波器在载荷卫星方测点处对纹波和动态响应进行测量。测试结果见表1和图2。

表1载荷卫星供电控制器供电品质测试

上面表述的在载荷卫星负载端测试的纹波、尖峰及动态响应即为升压电路开关电源工作方式和长线空间干扰之后的现象。因此，也需要从纹波等特性的产生源头和长线电缆传输路径两方面减小干扰。

卫星供电控制器采用Weinberg变换器的升压供电电路和三个升压变化器并联同时输出的，并且使用PWM控制方式控制升压电路工作。升压电路工作在开关状态，而且频率较高(百kHz)，必然会产生各种各样的干扰。卫星供电控制器的自身干扰主要来源于功率开关管，功率开关管在工作时产生的尖峰电压，通过电感、电容的藕合和导线影响，改变原来供电母线的特性。卫星供电控制器尖峰干扰实际上是一种较大幅度的窄脉冲，它的频带比较宽，而且谐波比较丰富。这个干扰源是不能削弱的，最有效的方法就是滤波技术，在功率开关管输出端并上电容器以吸收尖峰，减少其干扰。

1)增加滤波电容数量，优化滤波网络设计

母线电容的作用是稳定供电控制器输出母线电压；母线电容容值的选择主要受以下几方面因素的限制：a.每个电容的所流过的最大能量；b.BDR环路稳定性；c.母线电压纹波；d.高频下输出阻抗；e.母线电压控制环路带宽。

2)卫星供电控制器通过在开关管栅极驱动电路增加一级放大跟随电路，并改变驱动电阻阻值，降低开关管的截止速度，减少尖峰干扰的速率和峰值，同时保证系统效率。

3)精细传输电缆设计

经过测试发现，在载荷卫星供电控制的输出与经过10m长线后的输出端测试结果存在一定差异，差异主要是由于电缆的压降和分布电容电感产生。选取了在空间环境中经常使用的瑞侃系列导线；为了降低长线电缆阻值，综合考虑电缆重量选用芯线阻值最小的类型。为了降低分布电容和电感的影响，选用芯线股数较少；在一个实施例中选择铜镀银的芯线，选择股数为19。

从上述三个方面进行改善后，通过图1的测试连接方式，载荷卫星方改变不同的负载用电设备，使载荷卫星供电系统长线输出供电电流为2.6A，9A，13.4A三个值。通过示波器在载荷卫星方测点处对纹波和动态响应进行测量。测试结果见表2和图3。

表2改善后卫星供电控制器供电品质测试

图4所示为卫星供电控制器滤波网络设计更改。通过上述测试结果低频干扰滤波效果较好，为了减小尖峰干扰，在不改变总母线容值的前提下，减小容值较大的低频滤波电容，增加容值较小的高频滤波电容，同时将原来在输出母线上的低频滤波和高频滤波网络进行优化，将高频滤波电容分散在3个升压模块母线输出和汇总母线输出上。

滤波网络设计流程如下：

(1)根据升压模块设计原理、避开设备自激频率和一般经验，初步给出升压模块的滤波网络设计情况和低频滤波容值、高频滤波容值。

(2)无法满足母线动态响应的情况下，改变滤波网络设计，将统一滤波网络改为分散滤波。

(3)在升压模块的输出端冗余设置高频滤波器；在航天器负载用电输入端冗余设置高频滤波器；最后在不改变滤波网络总容值的情况下，在汇总母线汇总处设置多个低频滤波器和多个高频滤波器。

(4)进行供电品质测试试验，采用实际线缆连接模拟卫星负载。

(5)分别测试载荷卫星在低功率、平均功率和峰值功率情况下的母线纹波、尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线动态响应调节情况，如果均满足设计要求(例如表1的要求)，则确定该滤波网络设计；

如果低功率、平均功率和峰值功率情况下的母线纹波存在超差情况，则增加航天器负载用电输入端的高频滤波器数量，例如可以采用每次增加1个高频滤波器的方式，调整航天器负载用电输入端冗高频滤波器的数量，并进行母线纹波或尖峰干扰测试，直至满足要求；

尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线电压偏离中心点超过阈值，则可以增加汇总母线汇总处多个高频滤波器的数量，可以每次增加1～2个，通过仿真测试效果后再次增加或减少高频滤波器的数量；

尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线调节速率慢，则减少汇总母线汇总处低频滤波器的数量，可以每次减少1个，通过仿真测试效果后再次增加或减少低频滤波器的数量；

目前卫星供电控制器使用SG1525A芯片和变压器隔离驱动电路驱动功率管开关，为了降低系统尖峰干扰，结合图5，在变压器隔离驱动电路中增加一级跟随电路，采用两级跟随电路，增加功率管的驱动电流，降低了驱动脉冲关断速率，降低了功率管的截止速度，同时可以通过增加跟随电路中驱动电阻阻值，提升电路跟随速度，保证系统转换效率。

精细传输电缆设计流程如下：

(1)根据线缆连接器最小焊杯的焊接要求，选择线芯直径的尺寸，根据该尺寸确定常规电缆(铜导体)每米阻值R0；

(2)根据所需电缆长度L和电路的线路要求n，计算电缆阻值，R＝2*L*R0/n；

(3)根据低功率和峰值功率情况下的电流I1和I2，计算电缆压降U1和U2，判断电缆压降U1和U2是否满足卫星供电要求，如果满足则采用该阻值电缆，否则更换电缆内部导体，选择阻值更小电缆；考虑成本，选择的顺序为铜导体、铜镀锡、铜镀银。如果铜镀银仍不能满足要求，则更改线缆连接器，增大最小焊杯返回步骤(1)或者增加n的数量返回步骤(2)；

(4)对于阻值更小电缆，选择芯线股数最少的电缆，采用该股数和阻值的电缆作为连接电缆。

本发明从传输路径和升压源头两方面，对长距离传输的供电母线特性进行控制。通过阻值、重量和电容参数的方面精细设计长线电缆，选用不同等级导线减小分布电容电感，减小长线对母线特性的影响。还对升压控制器的输出滤波网络和升压电路设计方面进行整合优化，进一步稳定了升压控制器输出端的母线特性，从源头减小纹波和负载动态变化对母线调节的影响。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种提升飞行器长线供电动态响应性能的滤波网络设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取现有滤波网络总容值；

(2)升压模块的输出端冗余设置高频滤波器，在负载用电输入端冗余设置高频滤波器；在不改变滤波网络总容值的情况下，在汇总母线汇总处设置多个低频滤波器和多个高频滤波器；

(3)供电品质测试试验，采用实际线缆连接模拟负载；

(4)分别测试载荷卫星在低功率、平均功率和峰值功率情况下的母线纹波、尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线动态响应调节情况，如果均满足设计要求则确定该滤波网络设计；否则调整滤波网络升压模块高频滤波器、负载用电输入端高频滤波器、汇总母线汇总处的低频滤波器和高频滤波器的数量，直至卫星在低功率、平均功率和峰值功率情况下的母线纹波、尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线动态响应调节情况均满足设计要求。

2.如权利要求1所述的提升飞行器长线供电动态响应性能的滤波网络设计方法，其特征在于，步骤(4)中调整滤波网络升压模块高频滤波器、负载用电输入端高频滤波器、汇总母线汇总处的低频滤波器和高频滤波器的数量的方法为：

如果低功率、平均功率或峰值功率情况下的母线纹波存在超差情况，则增加航天器负载用电输入端的高频滤波器数量，直至母线纹波不超差；如果尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线电压偏离中心点超过阈值，则增加汇总母线汇总处多个高频滤波器的数量，直至母线电压偏离中心点满足阈值要求；尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线调节速率慢，则减少汇总母线汇总处低频滤波器的数量，直至母线调节速率满足要求。

3.一种提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，其特征在于，包括：

(1)优化滤波网络

1.1获取现有滤波网络总容值；

1.2升压模块的输出端冗余设置高频滤波器，在负载用电输入端冗余设置高频滤波器；在不改变滤波网络总容值的情况下，在汇总母线汇总处设置多个低频滤波器和多个高频滤波器；

1.3供电品质测试试验，采用实际线缆连接模拟负载；

1.4分别测试载荷卫星在低功率、平均功率和峰值功率情况下的母线纹波、尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线动态响应调节情况，如果均满足设计要求则确定该滤波网络设计；否则调整滤波网络升压模块高频滤波器、负载用电输入端高频滤波器、汇总母线汇总处的低频滤波器和高频滤波器的数量，直至卫星在低功率、平均功率和峰值功率情况下的母线纹波、尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线动态响应调节情况均满足设计要求；

(2)精细传输电缆设计

2.1根据线缆连接器最小焊杯的焊接要求，选择线芯直径的尺寸，根据该尺寸确定常规电缆每米阻值R0；

2.2根据所需电缆长度L和电路的线路要求n，计算电缆阻值，R＝2*L*R0/n；

2.3根据低功率和峰值功率情况下的电流I1和I2，计算电缆压降U1和U2，判断电缆压降U1和U2是否满足卫星供电要求，如果满足则采用该阻值电缆，否则更换电缆内部导体，选择阻值更小电缆；如果阻值更小电缆仍不能满足要求，则更改线缆连接器，增大最小焊杯，返回步骤(1)或者增加n的数量返回步骤(2)。

4.如权利要求3所述的提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，其特征在于，步骤(4)中调整滤波网络升压模块高频滤波器、负载用电输入端高频滤波器、汇总母线汇总处的低频滤波器和高频滤波器的数量的方法为：

如果低功率、平均功率或峰值功率情况下的母线纹波存在超差情况，则增加航天器负载用电输入端的高频滤波器数量，直至母线纹波不超差；如果尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线电压偏离中心点超过阈值，则增加汇总母线汇总处多个高频滤波器的数量，直至母线电压偏离中心点满足阈值要求；尖峰干扰以及负载施加200W阶跃情况下母线调节速率慢，则减少汇总母线汇总处低频滤波器的数量，直至母线调节速率满足要求。

5.如权利要求3所述的提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，其特征在于，步骤1.3中，选择阻值更小电缆，选择的顺序为铜导体、铜镀锡、铜镀银。

6.如权利要求5所述的提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，其特征在于，步骤1.3中，选择阻值更小电缆时，对于阻值更小电缆，选择芯线股数最少的电缆。

7.如权利要求5所述的提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，其特征在于，还包(3)在变压器隔离驱动电路中增加一级跟随电路。

8.如权利要求7所述的提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，其特征在于，跟随电路包括运算放大器，电阻和电容；跟随电路的正输入端连接变压器隔离驱动电路原输出端，电容和电阻串联连接在跟随电路的负输入端和输出端之间。

9.如权利要求8所述的提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，其特征在于，如果跟随电路的速度无法满足转化效率的要求，则增大电阻阻值。

10.如权利要求5所述的提升飞行器长线供电动态响应性能的方法，其特征在于，对于卫星负载，每个升压模块的输出端冗余设置1组高频滤波器，在负载用电输入端冗余设置1组高频滤波器；在汇总母线汇总处设置15组低频滤波器和19组高频滤波器。