CN110789736A - 一种星载大功率制冷机错峰控制方法 - Google Patents

一种星载大功率制冷机错峰控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种星载大功率制冷机错峰控制方法，在保证制冷机工作频率一致的条件下，通过检测每台制冷机输入电压和电流的幅值和相位，以确定制冷机负载的复阻抗，进而确定每路纹波电流的形式；已知每路纹波电流的幅值，对其相位进行排列组合(0或者π)，计算出叠加之后纹波幅值的最小值，以及这种组合下每路纹波电流的目标相位(0或者π)；已知每路纹波电流的相位，目标相位是0或者π，控制电路通过调整每路正弦脉宽调制信号的相位来控制纹波电流的相位，使叠加之后的纹波电流幅值最小，达到抑制电源线纹波的目的。本发明能够解决任意多台大功率制冷机同时工作的情况下，由于控制器直流/交流逆变引起电源线电压波动对其他电子学设备干扰的问题；对制冷机负载特性没有要求，具有对纹波电流相位的检测和控制功能。

Description

一种星载大功率制冷机错峰控制方法
技术领域
本发明一种星载大功率制冷机错峰控制方法，属于星载红外遥感器中制冷机控制技术，主要涉及一种针对星载大功率制冷机的错峰控制方法。
背景技术
机械制冷机由于其寿命长、比质量(制冷量/质量)高等技术优势，已经替代辐射制冷机，成为国际空间制冷的主力。在国际航天领域，机械制冷机主要用于冷却大规模红外焦平面探测器、滤光片以及冷光学镜头等。随着我国空间红外遥感技术的发展，遥感器通常配置多个不同谱段的红外探测器来满足观测的需求，同时也需要为低温光学系统进行制冷。然而，大功率机械制冷机工作时，由于控制器直流/交流逆变反馈到电源线上形成纹波电流，进而造成卫星电源电压波动，干扰并联在电源线上的其他电子学设备正常工作。卫星电源电源线上纹波电流幅值与制冷机的功率有直接关系，以往采用的方法是在制冷控制器电源入口处增加特定的大功率LC滤波器以达到抑制纹波的目的。由于大功率滤波器中的元器件体积较大，造成电子学系统的电路盒体积、重量增大很多，增加了大功率滤波部分对电路其他部分的影响。此外，通过滤波器的电流较大，滤波器本身的发热也需要考虑散热措施，这些都增加了电子学系统的复杂性、降低了可靠性。
中国专利公开号ZL201510178395.9，名称为“一种星载双制冷机错峰控制器”该技术的控制电路仅针对双制冷机设计，且要求制冷机负载特性一致，不具备任意型号多台制冷机同时控制的功能，也不具有驱动信号检测、纹波电流相位控制和扼流滤波的功能。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提出一种星载大功率制冷机错峰控制方法，该方法对制冷机负载特性没有特殊要求，通过对纹波电流相位的检测和控制，解决了任意型号多台制冷机同时工作时电源线纹波电流波动过大的问题。
本发明所描述的制冷机错峰控制方法是在保证多台制冷机工作频率一致的条件下，通过调整制冷机输入电压的相位来控制纹波电流的相位，使叠加之后的纹波电流幅值最小，达到抑制电源线纹波的目的。本发明能够解决多台大功率制冷机同时工作的时，由于大交变电流对电源线上其他电子学设备的干扰问题；间接地实现了一台控制器控制多台制冷机同时工作，即电子学小型化、集成化设计。因此，具有重要的工程意义和应用价值。
本发明的技术解决方案是：
一种星载大功率制冷机错峰控制方法，多台制冷机通过控制器连接卫星电源，包括步骤如下：
1)分别检测每路制冷机输入的电压幅值和相位、电流幅值和相位，根据所述电压幅值和相位、电流幅值和相位确定负载阻抗的幅值和相位，所述负载阻抗的幅值RM＝电压的幅值UM/电流的幅值IM，所述
Figure BDA0002241763150000021
Figure BDA0002241763150000022
根据卫星电源电压和所述制冷机负载阻抗的幅值和相位，确定由每路控制电路DC/AC逆变产生的纹波电流的幅值Ii和纹波电流的相位所述纹波电流的幅值Ii＝电源电压U/负载阻抗的幅值RM，所述纹波电流的相位为
Figure BDA0002241763150000024
2)根据步骤1)中计算出的每路纹波电流的幅值Ii，确定每路纹波电流的目标相位，所述确定每路纹波电流的目标相位的方法，具体如下：
Figure BDA0002241763150000025
其中，ki等于1或-1，n为制冷机的总台数；
当I取最小值时，根据ki的取值，确定每路纹波电流的目标相位
Figure BDA0002241763150000026
其中i＝1,2,...,n；
3)根据步骤2)确定的所述每路纹波电流的目标相位
Figure BDA0002241763150000032
和步骤1)确定的所述每路纹波电流的相位
Figure BDA0002241763150000033
获得每路纹波电流对应的调制波信号的相位
Figure BDA0002241763150000034
4)令控制电路输出的正弦脉宽调制信号SPWM的相位
Figure BDA0002241763150000035
等于步骤3)确定的调制波信号的相位
Figure BDA0002241763150000036
通过DC/AC逆变电路将隔离后的每路正弦脉宽调制信号分别转化成功率信号；
5)对步骤4)获得的功率信号利用LC滤波电路进行低通滤波，滤除载波频率的影响，获得正弦电压信号后输出给各台制冷机；
6)每路正弦电压信号分别驱动各台制冷机，通过扼流滤波器进一步降低纹波电流的影响。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明中制冷控制器采用错峰控制方法，可实现一台控制器驱动多台大功率制冷机工作，同时抑制控制器工作时大交变电流对其他电子学设备的干扰，且输出正弦电压信号的相位可调，可适用于任意型号的斯特林制冷机或脉冲管制冷机，间接地实现了电子学小型化、集成化设计。
(2)本发明制冷控制器采用该错峰控制方法设计，扼流滤波电路的规模可以依照功率最大制冷机来设计，共用扼流滤波电路，减轻了电子学设计的复杂性、提高了可靠性。
附图说明
图1为本发明基于错峰控制设计的制冷控制电路原理；
图2为本发明制冷控制器驱动电路原理；
图3为本发明扼流滤波电路原理；
图4为本发明正弦脉宽调制SPWM信号调相原理；
图5为本发明软件流程图。
具体实施方式
本发明所述制冷机用于为星载红外遥感器中红外探测器提供低温环境，所述制冷控制器是用于驱动制冷机的电子设备。制冷控制器通过驱动制冷机压缩机内的直线电机进行简谐运动完成制冷功能，控制器输出正弦电压驱动制冷机工作。
制冷驱动电路的原理如图2所示。控制电路根据设定算法计算并控制SPWM占空比；H桥驱动电路将控制电路生成的SPWM信号转换为功率SPWM信号；SPWM信号经驱动电路功率放大后经过LC低通滤波得到正弦电压信号，驱动直线电机M；电源线滤波电路由LC电路组成，为H桥驱动电路提供能量，同时滤除H桥MOSFET开关产生的电流高次谐波，减小对外干扰。
由于直线电机M表现为感性负载，由控制器产生的纹波电流可以表示为
其中，制冷机负载的复阻抗为Z+jωL，电源电压为U，输出电压调制比为ρ，纹波电流的相位为
Figure BDA0002241763150000042
纹波电流由控制器DC/AC逆变产生，频率是制冷机工作频率的2倍，幅值和相位与制冷机的负载特性Z+jωL相关。为了减小电源线波动对其他设备的干扰，要尽量压低纹波电流的幅值。
扼流滤波原理如图3所示。其中，R为线损，RS为电源内阻，I为纹波电流，IL和IC为流经电感和电容的电流，纹波电流I可以表示为
I＝IL+IC (2)
为了达到抑制电源线纹波电流的目的，设计滤波电路满足
一般情况下，电容C两端的电压波动ΔU应不大于电源线电压的10％，由电容的充电公式
Figure BDA0002241763150000044
可以计算出电容的数值，进而通过公式(3)可以计算出电感的量值。LC滤波电路可以实现对纹波电流的抑制，制冷机功率越大电源线纹波电流也就越大，计算得到的电感和电容也就越大，滤波器本身的发热也需要考虑散热措施。
当电源线上有多台大功率制冷机同时工作的时候，电源线上的纹波电流表示为多项公式(1)的叠加，假设制冷机的工作频率一致，问题进一步简化为多个正弦波叠加的问题，所谓错峰控制就是通过调整不同纹波电流的相位使叠加之后的电流幅值波动最小。
目前为止，空间红外遥感器中应用的大功率制冷机至多4台，假设产生的纹波电流幅值分别为Ii，则叠加后的电源线纹波电流可以表示为
Figure BDA0002241763150000051
其中，
Figure BDA0002241763150000053
进一步，
Figure BDA0002241763150000054
假设α＝φ1-φ2，β＝φ1-φ3，γ＝φ1-φ3，带入公式(6)
Figure BDA0002241763150000055
对于公式(7)分别对α，β，γ求偏导数可得
计算得
Figure BDA0002241763150000062
是方程组的解，考虑一种特殊的情况，即
Figure BDA0002241763150000063
时，公式(5)有最大值，物理概念非常明确，即各项同相时纹波叠加达到最大值；各项异相时出现极小值，其中有一个最小值，那么遍历所有可能性就可以计算出其中的最小值。
制冷机错峰控制技术实际上是保证多台大功率制冷机工作频率一致的情况下，通过调整纹波电流的相位使之相差0或者π，从而异相相消来达到抑制纹波的目的，尤其在多台大功率制冷机同时工作时效果明显。
本发明设计了一种驱动多台大功率制冷机工作并抑制电源线纹波电流的控制方法，在保证多台制冷机工作频率一致的条件下，通过输出正弦电压相位控制电源线纹波电流的相位使之相差0或者π，实现错峰控制，达到抑制波电流幅值的目的，降低了对卫星电源系统的要求。
下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
1、硬件实施
基于错峰控制技术设计的制冷控制器原理如图1所示，电路主要包括：FPGA控制电路、DC/AC逆变电路、驱动信号检测电路、LC滤波电路和扼流滤波电路。
FPGA控制电路是整个控制器的核心，根据检测到的制冷机输入电压和电流幅值和相位，通过运行软件完成控制策略的调整，并跟据计算的结果生成每路SPWM信号。
DC/AC逆变电路利用功率H桥驱动电路将控制电路生成的SPWM信号转换为功率SPWM信号，且将SPWM信号经驱动电路功率放大。
驱动信号检测电路通过霍尔器件检测出驱动制冷机工作的正弦波电压和电流幅值，信号相位可以通过过零检测实现。
LC滤波电路由电感和电容组成，用于滤除SPWM信号中的高频载波成分。SPWM驱动信号经过滤波后成为理想的正弦波。滤波电路采用单级LC低通滤波器。
扼流滤波电路同LC滤波电路，可以利用公式(3)和(4)依照功率最大制冷机工作时的纹波电流来计算出电感和电感的数值。
为了保证纹波电流的相位不抖动，要求每路DC/AC逆变电路硬件时钟同步；制冷机的工作频率要保持一致，对负载特性没有其他特殊要求；原则上制冷机的制冷机越多，错峰控制的效果越好，任意一台不能正常工作，错峰控制仍然有效果。
软件实施
本发明中核心软件是控制策略和SPWM信号相位的控制算法。
控制策略核心算法是根据计算得到的每路纹波电流的幅值Ii确定每路纹波电流的目标相位，
Figure BDA0002241763150000071
其中ki等于1或-1，n为制冷机台数，遍历各种组合的所有可能性计算出其中I的最小值，根据此时ki的取值，确定每路纹波电流的目标相位
Figure BDA0002241763150000072
Figure BDA0002241763150000073
其中i＝1,2,...,n，制冷机工况发生变化，重新调整控制策略。
SPWM信号生成和相位控制方法如图4所示。规则采样法采用三角波作为载波，当载波和调制波相交时，对功率电路中开关器件的通断进行控制，得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，即SPWM波形信号。如果调制波相位
Figure BDA0002241763150000074
发生变化，那么SPWM信号相位随之变化。按照调制频率要求，将每个周期的正弦波被等分成360段，通过查表法输出该角度对应的脉冲宽度即可。值得注意的是，制冷机工况发生变化时，如果瞬时反相会导致制冷机撞缸。
本发明一种星载大功率制冷机错峰控制方法流程图如图5所示，包括步骤如下：
1)分别检测每路制冷机输入的电压幅值、电压相位、电流幅值、电压相位，根据所述电压幅值、电压相位、电流幅值、电压相位，确定制冷机负载阻抗的幅值和相位，所述负载阻抗的幅值RM＝电压的幅值UM/电流的幅值IM，所述
Figure BDA0002241763150000081
Figure BDA0002241763150000082
根据卫星电源电压和所述制冷机负载阻抗的幅值和相位，确定由每路控制电路DC/AC逆变产生的纹波电流的幅值Ii和纹波电流的相位
Figure BDA0002241763150000083
所述纹波电流的幅值Ii＝电源电压U/负载阻抗的幅值RM，所述纹波电流的相位为
Figure BDA0002241763150000084
其中，选取斯特林制冷机或脉冲管制冷机作为负载，各台制冷机的工作频率一致。
2)根据步骤1)中计算出的每路纹波电流的幅值Ii，确定每路纹波电流的目标相位，所述确定每路纹波电流的目标相位的方法，具体如下：
Figure BDA0002241763150000085
其中，ki等于1或-1，n为制冷机的总台数；
当I取最小值时，根据ki的取值，确定每路纹波电流的目标相位
Figure BDA0002241763150000087
其中i＝1,2,...,n；
3)根据步骤2)确定的所述每路纹波电流的目标相位
Figure BDA0002241763150000088
和步骤1)确定的所述每路纹波电流的相位
Figure BDA0002241763150000089
获得每路纹波电流对应的调制波信号的相位
Figure BDA00022417631500000810
4)令控制电路输出的正弦脉宽调制信号SPWM的相位
Figure BDA00022417631500000811
等于步骤3)确定的调制波信号的相位
Figure BDA00022417631500000812
通过DC/AC逆变电路将隔离后的每路正弦脉宽调制信号分别转化成功率信号；
5)对步骤4)获得的功率信号利用LC滤波电路进行低通滤波，滤除载波频率的影响，获得正弦电压信号后输出给各台制冷机；
6)每路正弦电压信号分别驱动各台制冷机，通过扼流滤波器进一步降低纹波电流的影响。
在制冷机工况发生变化时，重复步骤1)～6)，重新调整输入每台制冷机的正弦电压信号的相位。
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 (3)

1.一种星载大功率制冷机错峰控制方法，多台制冷机通过控制器连接卫星电源，其特征在于，包括步骤如下：
1)分别检测每路制冷机输入的电压幅值、电压相位、电流幅值、电压相位，根据所述电压幅值、电压相位、电流幅值、电压相位，确定制冷机负载阻抗的幅值和相位，所述负载阻抗的幅值RM＝电压的幅值UM/电流的幅值IM，所述负载阻抗的相位
Figure FDA0002241763140000011
根据卫星电源电压和所述制冷机负载阻抗的幅值和相位，确定由每路控制电路DC/AC逆变产生的纹波电流的幅值Ii和纹波电流的相位
Figure FDA0002241763140000012
所述纹波电流的幅值Ii＝电源电压U/负载阻抗的幅值RM，所述纹波电流的相位为
Figure FDA0002241763140000013
2)根据步骤1)中计算出的每路纹波电流的幅值Ii，确定每路纹波电流的目标相位，所述确定每路纹波电流的目标相位的方法，具体如下：
Figure FDA0002241763140000014
其中，ki等于1或-1，n为制冷机的总台数；
当I取最小值时，根据ki的取值，确定每路纹波电流的目标相位
Figure FDA0002241763140000016
其中i＝1,2,...,n；
3)根据步骤2)确定的所述每路纹波电流的目标相位
Figure FDA0002241763140000017
和步骤1)确定的所述每路纹波电流的相位
Figure FDA0002241763140000018
获得每路纹波电流对应的调制波信号的相位
Figure FDA0002241763140000019
4)令控制电路输出的正弦脉宽调制信号SPWM的相位
Figure FDA00022417631400000110
等于步骤3)确定的调制波信号的相位通过DC/AC逆变电路将隔离后的每路正弦脉宽调制信号分别转化成功率信号；
5)对步骤4)获得的功率信号利用LC滤波电路进行低通滤波，滤除载波频率的影响，获得正弦电压信号后输出给各台制冷机；
6)每路正弦电压信号分别驱动各台制冷机，通过扼流滤波器进一步降低纹波电流的影响。
2.根据权利要求1所述的一种星载大功率制冷机错峰控制方法，其特征在于：选取斯特林制冷机或脉冲管制冷机作为负载，各台制冷机的工作频率一致。
3.根据权利要求1或2任意之一所述的一种星载大功率制冷机错峰控制方法，其特征在于：在制冷机工况发生变化时，重复步骤1)～6)，重新调整输入每台制冷机的正弦电压信号的相位。
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