本文針對(duì)皮衛(wèi)星" title="衛(wèi)星">衛(wèi)星電源" title="電源">電源系統(tǒng)的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了一套智能" title="智能">智能化,、高效率的數(shù)字化電源系統(tǒng),，其智能化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在：通過(guò)多種測(cè)量電路對(duì)電源系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓、電流等重要信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,、處理與分析,，隨時(shí)掌握電源系統(tǒng)的能量輸入、貯存與輸出以及實(shí)時(shí)效率等重要參數(shù),；在數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上,，通過(guò)微控制器及其控制軟件的處理，合理地采取峰值功率跟蹤（MPPT）,、充放電調(diào)節(jié)(BCR/BDR)等控制策略,，控制電源系統(tǒng)工作狀態(tài)，跟蹤最大輸入功率點(diǎn),；針對(duì)不同空間任務(wù)需求與能量界面參數(shù),，通過(guò)調(diào)整軟件靈活地進(jìn)行電源運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；通過(guò)串口通信方式與上位機(jī)通信,，為衛(wèi)星電源系統(tǒng)測(cè)控以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與傳輸提供了良好條件,。
1 皮衛(wèi)星智能電源系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
皮衛(wèi)星智能電源系統(tǒng)基于“太陽(yáng)能電池陣——電源控制系統(tǒng)——蓄電池組”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。電源控制系統(tǒng)作為整個(gè)電源系統(tǒng)的核心部分,，主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：微控制單元,、一次母線電壓調(diào)節(jié)單元（即峰值功率跟蹤單元）、二次母線電壓調(diào)節(jié)單元（即放電調(diào)節(jié)單元）,、充電調(diào)節(jié)單元,、電壓電流信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元,、串行通信單元等,。
電源控制系統(tǒng)的基本工作流程為：根據(jù)預(yù)先設(shè)定的空間環(huán)境參數(shù)，由太陽(yáng)電池陣模擬器形成電源系統(tǒng)的初始輸入,；初始輸入經(jīng)過(guò)一次母線電壓調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié),，形成與蓄電池組工作電壓相匹配的一次母線電壓7.2V～8.4V，同時(shí)完成對(duì)輸入峰值功率的跟蹤與鎖定；供給二次母線的功率經(jīng)過(guò)二次母線調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié),，分別為星上負(fù)載提供5V與3.3V兩種二次母線電壓,；電壓電流信號(hào)采集單元不斷采集初始輸入、一次母線,、蓄電池組,、二次母線等各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓電流信號(hào)，經(jīng)由電壓跟隨器,、一階濾波電路與多路信號(hào)選通芯片,，送入微控制單元進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；微控制器根據(jù)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信號(hào),，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理與分析,，向各級(jí)母線調(diào)節(jié)單元及充電控制單元發(fā)出控制信號(hào)，同時(shí)通過(guò)串行通信單元向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù),。
1.1 微控制單元
微控制單元電路以ATMEL 公司推出的ATmega8L單片機(jī)為核心,，配以MAX 397雙8通道模擬多路器與MAX 6129參考電壓源等外圍設(shè)備組成，如圖2所示,。ATmega8L單片機(jī)是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS的8位高檔單片機(jī),，具有接近1 MIPS/MHZ的高速運(yùn)行處理能力。ATmega8L具有23路可編程多功能I/O端口,，八通道10位A/D轉(zhuǎn)換和三通道16位以?xún)?nèi)的PWM輸出功能,，因此在系統(tǒng)中完成10位信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換與處理，MPPT算法實(shí)現(xiàn)以及31.25KHz PWM控制信號(hào)輸出等重要功能,。
1.2 一次母線電壓調(diào)節(jié)單元（峰值功率跟蹤單元）
一次母線電壓調(diào)節(jié)單元電路以Boost DC/DC電壓變換電路為核心,，同時(shí)增加了以?xún)蓚€(gè)MOSFET組合而成的一次母線控制開(kāi)關(guān)，如圖3所示,。Boost電壓變換電路由MOSFET開(kāi)關(guān)管Q1,，續(xù)流二極管D3、D4,，儲(chǔ)能電感L2與濾波電容C13組成,，升壓變換比滿足
M = Vout/Vin = 1/ (1-D) （1）
由于一次母線輸出電壓Vout被鉗位在蓄電池組工作電壓，即7.2V～8.4V區(qū)間某特定值,，則調(diào)整微處理單元發(fā)出的PWM控制信號(hào)占空比D,，可調(diào)整輸入電壓（即太陽(yáng)電池陣輸出電壓）Vin。在此基礎(chǔ)上,，調(diào)用峰值功率跟蹤（MPPT）算法,，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣輸出功率最大化。
1.3 電流電壓信號(hào)采集單元
信號(hào)采集單元以MAX4373F電流傳感放大器與分壓精密電阻為核心,，采集初始輸入,、一次母線,、蓄電池組、5/3.3V二次母線等6處節(jié)點(diǎn)的電壓電流信號(hào),。信號(hào)送入集成運(yùn)放LM234進(jìn)行電壓跟隨,，再經(jīng)過(guò)一階R-C濾波電路濾去紋波，最終送入MAX397等待A/D轉(zhuǎn)換,。
1.4 充電調(diào)節(jié)器單元
蓄電池組充電調(diào)節(jié)器由n-MOSFET與p-MOSFET組合電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成,，具體結(jié)構(gòu)同圖3右側(cè)的電子開(kāi)關(guān)。充電過(guò)程中,，MOSFET驅(qū)動(dòng)器輸出高電平信號(hào),，則n-MOSFET IRF3205導(dǎo)通,，使p-MOSFET IRF4905的G極電壓近似為0,，此時(shí)IRF4905的S極與G極間電壓為正，使IRF4905導(dǎo)通,。當(dāng)蓄電池組達(dá)到滿充電壓時(shí),，微處理單元控制電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷。
1.5 二次母線電壓調(diào)節(jié)單元（放電調(diào)節(jié)單元）
由于輸出電壓為特定值,，二次母線電壓調(diào)節(jié)單元中采用了MAX649（5V輸出）,、MAX651（3.3V輸出）的Buck型DC/DC降壓變換控制芯片。 MAX649,、MAX651芯片將4.0V～16.5V范圍內(nèi)的任意的一次母線電壓分別轉(zhuǎn)換為3.3V與5V,，供給星上各分系統(tǒng)的能量需求。當(dāng)輸出電流處于10mA～1.5A范圍內(nèi),，芯片功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到90％以上,。
放電調(diào)節(jié)器同樣由受微控制單元驅(qū)動(dòng)的n-MOSFET與p-MOSFET組合電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成。
1.6 串行通信單元
串行通信單元電路以雙通道串口通信驅(qū)動(dòng)芯片MAX232為核心,，使用串口通信標(biāo)準(zhǔn)EIA-RS-232C協(xié)議,。MAX232將單片機(jī)輸出的TTL電平信號(hào) “邏輯1電平+5V，邏輯0電平0V”,，轉(zhuǎn)化為上位機(jī)RS-232C信號(hào)“邏輯1電平-5～-15V,，邏輯0電平+5～+15V”。2.1 皮衛(wèi)星電源系統(tǒng)控制軟件基本流程
電源系統(tǒng)控制軟件流程主要以“信號(hào)巡回檢測(cè)→PWM控制信號(hào)調(diào)整→系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)傳輸→再次信號(hào)巡回檢測(cè)”過(guò)程為主干,，并在“巡檢→控制→數(shù)據(jù)傳輸”過(guò)程中增加充電控制,、放電控制等分支控制功能?？刂栖浖捎媚K化思想設(shè)計(jì),，由系統(tǒng)初始化模塊，多路A/D轉(zhuǎn)換模塊,、數(shù)字濾波模塊,、數(shù)據(jù)分析與控制模塊、串口通信模塊等組成[3]。
2.2 基于模糊控制邏輯的電導(dǎo)增量MPPT算法
皮衛(wèi)星智能電源系統(tǒng)主要依靠軟件中的MPPT算法實(shí)現(xiàn)其功率的最大化,。MPPT算法原理在于：在一定的溫度與光強(qiáng)條件下,，衛(wèi)星電源使用的太陽(yáng)電池陣的輸出電壓與電流存在著非線性的關(guān)系，當(dāng)輸出電壓到達(dá)特定值Vmp,，與對(duì)應(yīng)電流值Imp之間乘積達(dá)到最大值,，即為太陽(yáng)電池陣峰值輸出功率點(diǎn)Pmp。
在峰值功率點(diǎn)處,，輸出功率對(duì)輸出電壓的微分
dP/dV = d(VI)/dV = I+V dI/dV = 0 ?。?）
進(jìn)一步推導(dǎo)，可得：-dI/dV = I/V ?。?）
由此關(guān)系,，建立基于模糊控制邏輯的電導(dǎo)增量MPPT算法。
其中,，V(n),V(n-1),I(n),I(n-1)分別為當(dāng)前時(shí)刻與上一時(shí)刻的太陽(yáng)電池陣輸出電壓,、電流值，D(n),D(n+1)分別為當(dāng)前時(shí)刻與下一時(shí)刻的占空比,，△D為占空比調(diào)整步長(zhǎng),。根據(jù)采集的電流、電壓信號(hào),，微處理單元不斷增減PWM信號(hào)占空比,，利用Boost電壓變換電路調(diào)整太陽(yáng)電池陣的輸出電壓，從而使工作點(diǎn)到達(dá)峰值功率點(diǎn)Pmp,，衛(wèi)星電源系統(tǒng)獲得最大的輸出功率,。
進(jìn)一步，在基本算法的基礎(chǔ)上引入模糊控制邏輯,，其作用為加快峰值功率跟蹤的速度,。模糊邏輯控制器的兩個(gè)輸入變量分別取為當(dāng)前時(shí)刻電導(dǎo)增量差值e(n)= -dI/dV- I/V和占空比調(diào)整步長(zhǎng)△D(n)，輸出變量取為下一時(shí)刻的占空比調(diào)整步長(zhǎng)△D(n+1),。然后建立相應(yīng)的隸屬度函數(shù)與模糊規(guī)則庫(kù),，此處從略。模擬實(shí)驗(yàn)表明,，在標(biāo)準(zhǔn)空間環(huán)境條件(AM0,25℃)下,，引入模糊控制邏輯后的電導(dǎo)增量MPPT算法，其峰值功率跟蹤所需時(shí)間減少了60％以上,。
3 結(jié)論
本文針對(duì)皮衛(wèi)星電源系統(tǒng)的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了一套智能化的航天" title="航天">航天電源系統(tǒng),，該電源系統(tǒng)以ATmega8L單片機(jī)為核心，對(duì)電源系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理,，并運(yùn)用峰值功率跟蹤等控制策略,，控制系統(tǒng)工作狀態(tài),。模擬實(shí)驗(yàn)表明，該電源系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)空間環(huán)境條件(AM0,25℃)下,，峰值功率跟蹤性能良好,，最大輸入功率達(dá)到約2.75W，電源整體效率保持在82％以上,。
