CN110386267B - 一种航天高可靠性能量平衡控制系统 - Google Patents

一种航天高可靠性能量平衡控制系统 Download PDF

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Abstract

一种航天高可靠性能量平衡控制系统，涉及深空探测领域；包括太阳能电池阵控制模块、信号控制模块和直流母线电压控制器；其中，太阳能电池阵控制模块包括太阳能控制器、固定值输出模块、两路切换开关K1、第一PI控制器、第一比较器、第一驱动模块和太阳能电池阵稳压模块；直流母线电压控制器包括第一PI控制器、第二比较器、第二驱动模块和直流母线稳压模块；本发明的能量平衡控制系统设计结构简单稳定，工程实现容易，既能保证航天电源系统平衡的同时还能保证系统的高可靠性运行，在航天电源系统调节上具有重要的应用价值。

Description

一种航天高可靠性能量平衡控制系统
技术领域
本发明涉及一种深空探测领域，特别是一种航天高可靠性能量平衡控制系统。
背景技术
航天电源的能量传输的方式通常包括了直接能量传输(DET)和最大功率跟踪技术(MPPT)。其中MPPT控制方式由于其对于太阳能电池阵的能量利用率高的特点，越来越受到航天工业的重视。
MPPT控制技术存在两个问题：一个是正常情况下太阳能电池阵总是工作在最大功率点，当蓄电池达到稳压点，并且太阳能电池阵的最大功率输出大于直流母线上的负载功率需求时，MPPT控制方式会导致直流母线电压上升；一个是由于某些太空环境复杂，太阳阵会受遮挡、温度、光照角等影响，导致太阳能电池阵出现多个类似最佳工作点的情况，可能导致MPPT跟踪上这些类似的最佳工作点，这在能量平衡方面存在很大风险。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种航天高可靠性能量平衡控制系统，系统架构结构简单、控制系统稳定、易于工程实现，从而保证了航天能源系统的平衡稳定。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种航天高可靠性能量平衡控制系统，包括太阳能电池阵控制模块、信号控制模块和直流母线电压控制器；其中，太阳能电池阵控制模块包括太阳能控制器、固定值输出模块、两路切换开关K1、第一PI控制器、第一比较器、第一驱动模块和太阳能电池阵稳压模块；直流母线电压控制器包括第一PI控制器、第二比较器、第二驱动模块和直流母线稳压模块；
太阳能电池阵控制器：生成参考电压信号，将参考电压信号发送至第一PI控制器；
固定值输出模块：输出固定基准电压信号至第一PI控制器；
第一PI控制器：初始状态接收太阳能电池阵控制器传来的参考电压信号；接收外部遥测系统传来的太阳能电池阵电压信号；对参考电压信号和太阳能电池阵电压信号进行比例积分处理；生成PI控制信号，并将PI控制信号发送至第一比较器；当两路切换开关K1切换后，接收固定值输出模块传来的固定基准电压信号；接收外部遥测系统传来的太阳能电池阵电压信号；对固定基准电压信号和太阳能电池阵电压信号进行比例积分处理；生成第一PI控制信号，并将第一PI控制信号发送至第一比较器；
第一比较器：接收第一PI控制器传来的第一PI控制信号；接收外部振荡器传来的三角波信号；对第一PI控制信号和三角波信号进行信号调制处理，生成第一PWM波信号，将第一PWM波信号发送至第一驱动模块；
信号控制模块：发出开关控制信号至两路切换开关K1；发出第一使能信号至第一驱动模块；发出第二使能信号至第二驱动模块；
两路切换开关K1：初始状态与太阳能电池阵控制器连接，当接收信号控制模块传来的开关控制信号后，切换到与固定值输出模块连接；
第一驱动模块：接收第一比较器传来的第一PWM波信号；接收信号控制模块传来的第一使能信号；对第一PWM波信号进行驱动处理，增加第一PWM波信号的带载能力，生成第一驱动信号，将第一驱动信号发送至太阳能电池阵稳压模块；
太阳能电池阵稳压模块：接收第一驱动模块传来的第一驱动信号，对太阳能电池阵的开关管进行控制，实现太阳能电池阵输出控制；
第二PI控制器：接收外部分压模块传来的分压基准电压信号；接收外部遥测系统传来的直流母线电压信号；对分压基准电压信号和直流母线电压信号做比例积分处理，生成第二PI控制信号；并将第二PI控制信号发送至第二比较器；
第二比较器：接收第二PI控制器传来的第二PI控制信号；接收振荡器传来的三角波信号；对第二PI控制信号和三角波信号进行信号调制处理，生成第二PWM波信号，将第二PWM波信号发送至第二驱动模块；
第二驱动模块：接收第二比较器传来的第二PWM波信号；接收信号控制模块传来的第二使能信号；对第二PWM波信号进行驱动处理，增加第二PWM波的带载能力；生成第二驱动信号，将第二驱动信号发送至直流母线稳压模块；
直流母线稳压模块：接收第二驱动芯片发出的第二驱动信号，对直流母线开关管进行控制，实现直流母线电压稳压控制。
在上述的一种航天高可靠性能量平衡控制系统，两路切换开关K1的工作过程为：
正常情况下，太阳能电池阵控制器通过两路切换开关K1连接至第一PI控制器的基准输入端；当信号控制模块检测到太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号在短时间内波动超出预设差值阈值时，信号控制模块发送开关控制信号至两路切换开关K1，将固定值模块控制连接到第一PI控制器的基准输入端。
在上述的一种航天高可靠性能量平衡控制系统，信号控制模块每30s采集一次太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号，同时开关计数器+1；将采集到的太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号的最大值和最小值进行作差，当差值大于差值阈值时，发送开关控制信号至两路切换开关K1；否则，对计数器的值进行判定，当计数器的值小于20，继续进行太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号采集；当计数器的值大于或等于20时，则进行计数器清零，及最大值最小值初始化。
在上述的一种航天高可靠性能量平衡控制系统，第一驱动模块接收信号控制模块传来的第一使能信号；当第一使能信号为低电平时，第一驱动模块正常输出；当第一使能信号为高电平时，第一驱动模块持续输出低电平。
在上述的一种航天高可靠性能量平衡控制系统，第二驱动模块接收信号控制模块传来的第二使能信号；当第二使能信号为低电平时，第二驱动模块正常输出；当第二使能信号为高电平时，第二驱动模块持续输出低电平。
在上述的一种航天高可靠性能量平衡控制系统，信号控制模块每30s采集一次分压基准电压信号和直流母线电压信号；并将分压基准电压信号和直流母线电压信号与各自的电压阈值进行比较；当两者都大于其电压阈值时，令第二使能信号为低电平，第一使能信号为高电平；否则，令第一使能信号为低电平，第二使能信号为高电平。
在上述的一种航天高可靠性能量平衡控制系统，太阳能电池阵控制器采用MPPT控制方式；通过采集太阳能电池阵的电压电流，对太阳能电池阵的输出功率进行跟踪控制。
在上述的一种航天高可靠性能量平衡控制系统，固定值输出模块通过对12V供电电压进行分压得到固定基准电压信号。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用了太阳能控制器和固定值模块进行切换的方式，提高了航天电源系统的适应性，实现了全地形、全天候的太阳能电池阵的高可靠运行；
(2)本发明采用了太阳能电池阵控制和直流稳压控制进行切换的方式，提高了航天电源系统的能量盈余保护能力，实现了直流母线电压的稳定；
(3)本发明进行切换开关和驱动模块控制，提高了防止控制误触发能力，实现了能量平衡控制系统的高可靠性运行。
附图说明
图1为本发明能量平衡控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供了一种航天高可靠性能量平衡控制系统，在MPPT控制下存在功率富余的情况下，通过直流母线控制方式取代MPPT控制，稳定直流母线电压；在环境复杂、存在多个类似最佳工作点的情况下，通过固定参考电压来替换波动较大的MPPT输出参考电压。所提出的系统架构结构简单、控制系统稳定、易于工程实现，从而保证了航天能源系统的平衡稳定。
如图1所示为能量平衡控制系统示意图，由图可知，一种航天高可靠性能量平衡控制系统，包括太阳能电池阵控制模块、信号控制模块和直流母线电压控制器；其中，太阳能电池阵控制模块包括太阳能控制器、固定值输出模块、两路切换开关K1、第一PI控制器、第一比较器、第一驱动模块和太阳能电池阵稳压模块；直流母线电压控制器包括第一PI控制器、第二比较器、第二驱动模块和直流母线稳压模块；直流母线电压控制器，在太阳能电池阵出现功率富余的情况下进行工作，能够保证直流母线电压的稳定，保证负载的正常运行。
太阳能电池阵控制器：生成参考电压信号，将参考电压信号发送至第一PI控制器；太阳能电池阵控制器采用MPPT控制方式；通过采集太阳能电池阵的电压电流，对太阳能电池阵的输出功率进行跟踪控制。够保证太阳能电池阵工作在最大功率点。
固定值输出模块：输出固定基准电压信号至第一PI控制器；固定值输出模块通过对12V供电电压进行分压得到固定基准电压信号。能在环境复杂的情况下，保证太阳能电池阵以恒定的电压进行输出。
第一PI控制器：初始状态接收太阳能电池阵控制器传来的参考电压信号；接收外部遥测系统传来的太阳能电池阵电压信号；对参考电压信号和太阳能电池阵电压信号进行比例积分处理；生成PI控制信号，并将PI控制信号发送至第一比较器；当两路切换开关K1切换后，接收固定值输出模块传来的固定基准电压信号；接收外部遥测系统传来的太阳能电池阵电压信号；对固定基准电压信号和太阳能电池阵电压信号进行比例积分处理；生成第一PI控制信号，并将第一PI控制信号发送至第一比较器。
第一比较器：接收第一PI控制器传来的第一PI控制信号；接收外部振荡器传来的三角波信号；对第一PI控制信号和三角波信号进行信号调制处理，生成第一PWM波信号，将第一PWM波信号发送至第一驱动模块。
信号控制模块：发出开关控制信号至两路切换开关K1；发出第一使能信号至第一驱动模块；发出第二使能信号至第二驱动模块。
信号控制模块每30s采集一次太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号，同时开关计数器+1；将采集到的太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号的最大值和最小值进行作差，当差值大于差值阈值时，发送开关控制信号至两路切换开关K1；否则，对计数器的值进行判定，当计数器的值小于20，继续进行太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号采集；当计数器的值大于或等于20时，则进行计数器清零，及最大值最小值初始化。
信号控制模块每30s采集一次分压基准电压信号和直流母线电压信号；并将分压基准电压信号和直流母线电压信号与各自的电压阈值进行比较；当两者都大于其电压阈值时，令第二使能信号为低电平，第一使能信号为高电平；否则，令第一使能信号为低电平，第二使能信号为高电平。
两路切换开关K1：初始状态与太阳能电池阵控制器连接，当接收信号控制模块传来的开关控制信号后，切换到与固定值输出模块连接；两路切换开关K1的工作过程为：
正常情况下，太阳能电池阵控制器通过两路切换开关K1连接至第一PI控制器的基准输入端；当信号控制模块检测到太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号在短时间内波动超出预设差值阈值时，信号控制模块发送开关控制信号至两路切换开关K1，将固定值模块控制连接到第一PI控制器的基准输入端。
第一驱动模块：接收第一比较器传来的第一PWM波信号；接收信号控制模块传来的第一使能信号；对第一PWM波信号进行驱动处理，增加第一PWM波信号的带载能力，生成第一驱动信号，将第一驱动信号发送至太阳能电池阵稳压模块；当第一使能信号为低电平时，第一驱动模块正常输出；当第一使能信号为高电平时，第一驱动模块持续输出低电平。
太阳能电池阵稳压模块：接收第一驱动模块传来的第一驱动信号，对太阳能电池阵的开关管进行控制，实现太阳能电池阵输出控制。
第二PI控制器：接收外部分压模块传来的分压基准电压信号；接收外部遥测系统传来的直流母线电压信号；对分压基准电压信号和直流母线电压信号做比例积分处理，生成第二PI控制信号；并将第二PI控制信号发送至第二比较器。
第二比较器：接收第二PI控制器传来的第二PI控制信号；接收振荡器传来的三角波信号；对第二PI控制信号和三角波信号进行信号调制处理，生成第二PWM波信号，将第二PWM波信号发送至第二驱动模块。
第二驱动模块：接收第二比较器传来的第二PWM波信号；接收信号控制模块传来的第二使能信号；对第二PWM波信号进行驱动处理，增加第二PWM波的带载能力；生成第二驱动信号，将第二驱动信号发送至直流母线稳压模块；当第二使能信号为低电平时，第二驱动模块正常输出；当第二使能信号为高电平时，第二驱动模块持续输出低电平。
直流母线稳压模块：接收第二驱动芯片发出的第二驱动信号，对直流母线开关管进行控制，实现直流母线电压稳压控制。
第二PI控制器用来实现直流母线电压的跟踪；所述的第二比较器根据第二PI控制器的输出信号得到相应的方波信号；第二驱动模块将方波信号转换为相应的驱动信号；所述的直流母线稳压模块能够通过MOS管的控制，实现直流母线电压的稳定输出。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种航天能量平衡控制系统，其特征在于：包括太阳能电池阵控制模块、信号控制模块和直流母线电压控制器；其中，太阳能电池阵控制模块包括太阳能控制器、固定值输出模块、两路切换开关K1、第一PI控制器、第一比较器、第一驱动模块和太阳能电池阵稳压模块；直流母线电压控制器包括第一PI控制器、第二比较器、第二驱动模块和直流母线稳压模块；
太阳能电池阵控制器：生成参考电压信号，将参考电压信号发送至第一PI控制器；
固定值输出模块：输出固定基准电压信号至第一PI控制器；
第一PI控制器：初始状态接收太阳能电池阵控制器传来的参考电压信号；接收外部遥测系统传来的太阳能电池阵电压信号；对参考电压信号和太阳能电池阵电压信号进行比例积分处理；生成PI控制信号，并将PI控制信号发送至第一比较器；当两路切换开关K1切换后，接收固定值输出模块传来的固定基准电压信号；接收外部遥测系统传来的太阳能电池阵电压信号；对固定基准电压信号和太阳能电池阵电压信号进行比例积分处理；生成第一PI控制信号，并将第一PI控制信号发送至第一比较器；
第一比较器：接收第一PI控制器传来的第一PI控制信号；接收外部振荡器传来的三角波信号；对第一PI控制信号和三角波信号进行信号调制处理，生成第一PWM波信号，将第一PWM波信号发送至第一驱动模块；
信号控制模块：发出开关控制信号至两路切换开关K1；发出第一使能信号至第一驱动模块；发出第二使能信号至第二驱动模块；
两路切换开关K1：初始状态与太阳能电池阵控制器连接，当接收信号控制模块传来的开关控制信号后，切换到与固定值输出模块连接；
第一驱动模块：接收第一比较器传来的第一PWM波信号；接收信号控制模块传来的第一使能信号；对第一PWM波信号进行驱动处理，增加第一PWM波信号的带载能力，生成第一驱动信号，将第一驱动信号发送至太阳能电池阵稳压模块；
太阳能电池阵稳压模块：接收第一驱动模块传来的第一驱动信号，对太阳能电池阵的开关管进行控制，实现太阳能电池阵输出控制；
第二PI控制器：接收外部分压模块传来的分压基准电压信号；接收外部遥测系统传来的直流母线电压信号；对分压基准电压信号和直流母线电压信号做比例积分处理，生成第二PI控制信号；并将第二PI控制信号发送至第二比较器；
第二比较器：接收第二PI控制器传来的第二PI控制信号；接收振荡器传来的三角波信号；对第二PI控制信号和三角波信号进行信号调制处理，生成第二PWM波信号，将第二PWM波信号发送至第二驱动模块；
第二驱动模块：接收第二比较器传来的第二PWM波信号；接收信号控制模块传来的第二使能信号；对第二PWM波信号进行驱动处理，增加第二PWM波的带载能力；生成第二驱动信号，将第二驱动信号发送至直流母线稳压模块；
直流母线稳压模块：接收第二驱动芯片发出的第二驱动信号，对直流母线开关管进行控制，实现直流母线电压稳压控制。
2.根据权利要求1所述的一种航天能量平衡控制系统，其特征在于：两路切换开关K1的工作过程为：
正常情况下，太阳能电池阵控制器通过两路切换开关K1连接至第一PI控制器的基准输入端；当信号控制模块检测到太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号在短时间内波动超出预设差值阈值时，信号控制模块发送开关控制信号至两路切换开关K1，将固定值模块控制连接到第一PI控制器的基准输入端。
3.根据权利要求2所述的一种航天能量平衡控制系统，其特征在于：信号控制模块每30s采集一次太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号，同时开关计数器+1；将采集到的太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号的最大值和最小值进行作差，当差值大于差值阈值时，发送开关控制信号至两路切换开关K1；否则，对计数器的值进行判定，当计数器的值小于20，继续进行太阳能电池阵控制器输出的参考电压信号采集；当计数器的值大于或等于20时，则进行计数器清零，及最大值最小值初始化。
4.根据权利要求3所述的一种航天能量平衡控制系统，其特征在于：第一驱动模块接收信号控制模块传来的第一使能信号；当第一使能信号为低电平时，第一驱动模块正常输出；当第一使能信号为高电平时，第一驱动模块持续输出低电平。
5.根据权利要求4所述的一种航天能量平衡控制系统，其特征在于：第二驱动模块接收信号控制模块传来的第二使能信号；当第二使能信号为低电平时，第二驱动模块正常输出；当第二使能信号为高电平时，第二驱动模块持续输出低电平。
6.根据权利要求5所述的一种航天能量平衡控制系统，其特征在于：信号控制模块每30s采集一次分压基准电压信号和直流母线电压信号；并将分压基准电压信号和直流母线电压信号与各自的电压阈值进行比较；当两者都大于其电压阈值时，令第二使能信号为低电平，第一使能信号为高电平；否则，令第一使能信号为低电平，第二使能信号为高电平。
7.根据权利要求6所述的一种航天能量平衡控制系统，其特征在于：太阳能电池阵控制器采用MPPT控制方式；通过采集太阳能电池阵的电压电流，对太阳能电池阵的输出功率进行跟踪控制。
8.根据权利要求7所述的一种航天能量平衡控制系统，其特征在于：固定值输出模块通过对12V供电电压进行分压得到固定基准电压信号。
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