[发明专利]一种航天器S4R电源控制器模拟系统

摘要

一种航天器S4R电源控制器模拟系统，针对航天器上使用的S4R型电源控制器进行模拟，模拟系统主要包括主误差放大器模块、分流控制器模块、充电控制器模块、放电控制器模块四个功能模块。主误差放大器模块负责检测主母线电压，根据电压情况向分流控制器模块、充电控制器模块和放电控制器模块发送信号，分流控制器模块，完成供电阵和充电阵的分流调节功能，充电控制器模块完成对蓄电池的充电控制工作，放电控制器模块进行放电控制。该模拟系统具有较强的通用性，可根据不同航天器的技术指标进行针对性修改，并应用在各类航天器的S4R电源控制器模拟任务中。

主权项

一种航天器S4R电源控制器模拟系统，其特征在于包括：主误差放大器模块、放电控制器模块、充电控制器模块、供电阵分流控制器模块和充电阵分流控制器模块，其中：主误差放大器模块：包括第一运算放大器单元、第二运算放大器单元、第三运算放大器单元和第一主误差放大器计数单元、第二主误差放大器计数单元、第三主误差放大器计数单元，其中：第一运算放大器单元，从外界获取供电阵母线电压，比较获取的供电阵母线电压和放电门限电压，如果供电阵母线电压小于或等于放电门限电压，则满足放电条件并输出比较结果信号为1，如果供电阵母线电压大于放电门限电压，则不满足放电条件，并输出比较结果信号为0，然后将比较结果信号送至第一主误差放大器计数单元；第一主误差放大器计数单元，分别对满足放电条件的比较结果信号和不满足放电条件的比较结果信号进行计数，当满足放电条件的比较结果信号的计数值达到预先设定的次数时，则输出放电控制信号为1，当不满足放电条件的比较结果的计数值达到预先设定的次数时，则输出放电控制信号为0，然后将放电控制信号输出至放电控制器模块；第二运算放大器单元，从外界获取充电阵母线电压，比较获取的充电阵母线电压和充电门限电压，如果充电阵母线电压大于或等于充电门限电压，则满足充电条件并输出比较结果信号为1，如果充电阵母线电压小于充电门限电压，则不满足充电条件并输出比较结果信号为0，然后将比较结果信号送至第二主误差放大器计数单元；第二主误差放大器计数单元，分别对满足充电条件的比较结果信号和不满足充电条件的比较结果信号进行计数，当满足充电条件的比较结果信号的计数值达到预先设定的次数时，则输出充电控制信号为1，当不满足充电条件的比较结果的计数值达到预先设定的次数时，则输出充电控制信号为0，然后将充电控制信号输出至充电控制器模块；第三运算放大器单元，从外界获取供电阵母线电压或充电阵母线电压，如果供电阵母线电压大于或等于供电阵分流门限电压，则满足供电阵分流条件并输出比较结果信号为1，如果供电阵母线电压小于供电阵分流门限电压，则不满足供电阵分流条件并输出比较结果信号为0，然后将比较结果信号送至第三主误差放大器计数单元；如果充电阵母线电压大于或等于充电阵分流门限电压，则满足充电阵分流条件并输出比较结果信号为1，如果充电阵母线电压小于充电阵分流门限电压，则不满足充电阵分流条件并输出比较结果信号为0，然后将比较结果信号送至第三主误差放大器计数单元第三主误差放大器计数单元，分别对满足供电阵分流条件的比较结果信号和不满足供电阵分流条件的比较结果信号进行计数，当满足供电阵分流条件的比较结果信号的计数值达到预先设定的次数时，则输出供电阵分流控制信号为1，当不满足供电阵分流条件的比较结果的计数值达到预先设定的次数时，则输出供电阵分流控制信号为0，然后将供电阵分流控制信号输出至供电阵分流控制器模块；分别对满足充电阵分流条件的比较结果信号和不满足充电阵分流条件的比较结果信号进行计数，当满足充电阵分流条件的比较结果信号的计数值达到预先设定的次数时，则输出充电阵分流控制信号为1，当不满足充电阵分流条件的比较结果的计数值达到预先设定的次数时，则输出充电阵分流控制信号为0，然后将充电阵分流控制信号输出至充电阵分流控制器模块；放电控制器模块，包括控制升压的占空比计算单元、升压调节器单元、锂离子蓄电池放电电流计算单元、锂离子蓄电池损坏检测单元，其中，控制升压的占空比计算单元，采样获取n‑1周期调节后的母线电压和放电母线电压设定值，将n‑1周期调节后的母线电压减去放电母线电压设定值得到第n周期的母线电压误差信号为e(n)，计算升压控制信号的增量Δαr(n)，然后计算升压控制信号占空比αr(n)，并将升压控制信号占空比传给升压调节器单元；其中，αr(n)＝αr(n‑1)+Δαr(n)Δαr(n)＝Krp[e(n)‑e(n‑1)]+TKrie(n)+Krd[e(n)‑2e(n‑1)+e(n‑2)]/T，Krp、Kri、Krd分别为放电控制器的比例积分微分增益，e(n‑1)为第n‑1周期的母线电压误差信号，e(n‑2)为第n‑2周期的母线电压误差信号，αr(n‑1)为上周期升压控制信号占空比；升压调节器单元，接收升压控制信号占空比，获取升压前的锂离子蓄电池开环电压和是否升压控制信号，计算升压调节后的锂离子蓄电池开环电压，同时接收放电控制信号，如果放电控制信号为1且是否升压控制信号为1，则将升压调节后的锂离子蓄电池开环电压作为锂离子蓄电池开环电压U(n)并送至锂离子蓄电池放电电流计算单元，否则将ns·Vb作为锂离子蓄电池开环电压U(n)并送至锂离子蓄电池放电电流计算单元；其中，升压调节后的锂离子蓄电池开环电压为ns·Vb1-αr(n)]]>ns为蓄电池串联数，Vb为单体蓄电池开环电压；锂离子蓄电池放电电流计算单元，接收锂离子蓄电池开环电压U(n)，获取负载功率和太阳电池阵输出电流，计算单体锂离子蓄电池放电电流，然后将单体锂离子蓄电池放电电流送至锂离子蓄电池损坏检测单元；其中，单体锂离子蓄电池放电电流为Pload-U(n)·Ins·Vb·ηFD·ηSY·np]]>Pload为负载功率，I为太阳电池阵输出电流，ns为蓄电池串联数，np为蓄电池并联数，Vb为单体蓄电池开环电压，ηFD为放电效率，ηSY为升压效率；锂离子蓄电池损坏检测单元，接收单体锂离子蓄电池放电电流，从外界获取的蓄电池放电深度和终止放电深度参数，并在放电过程中比较蓄电池放电深度和终止放电深度参数，如果蓄电池放电深度小于终止放电深度参数，则输出的锂离子蓄电池放电电流为0，如果蓄电池放电深度大于终止放电深度参数，则输出的锂离子蓄电池放电电流为锂离子蓄电池放电电流计算单元发送的单体锂离子蓄电池放电电流；充电控制器模块：包括恒流充电与恒压充电判定单元、恒流充电电流计算单元、恒压充电电流计算单元、充电电流开关管开度计算单元、充电电流保持单元，其中，恒流充电与恒压充电判定单元，获取单体锂离子蓄电池开环电压，比较单体锂离子蓄电池开环电压和恒流转恒压的门限电压，如果单体锂离子蓄电池开环电压小于恒流转恒压的门限电压，则采用恒流充电并输出为0的选通控制信号，选通恒流充电电流计算单元工作，在恒流充电过程中比较单体锂离子蓄电池开环电压与恒流转恒压的门限电压，如果单体锂离子蓄电池开环电压大于恒流转恒压的门限电压，则采用恒压充电并输出为1的选通控制信号，选通恒压充电电流计算单元工作；恒流充电电流计算单元，获取单体锂离子蓄电池开环电压和小电流转大电流门限电压，比较单体锂离子蓄电池开环电压和小电流转大电流门限电压，如果单体锂离子蓄电池开环电压小于小电流转大电流门限电压，则将小电流作为恒流充电电流，如果单体锂离子蓄电池开环电压大于小电流转大电流门限电压，则将大电流作为恒流充电电流，当接收为0的选通控制信号时，选通恒流充电电流计算单元并输出相应的恒流充电电流；恒压充电电流计算单元，获取恒压充电电压Vc(n)和单体锂离子蓄电池开环电压，计算恒压充电电流Is(n)，同时比较恒压充电电流和终止充电电流，当恒压充电电流大于或等于终止充电电流时，将恒流充电电流计算单元计算得到的恒流充电电流或者恒压充电电流计算单元计算得到的恒压充电电流送至充电电流开关管开度计算单元，当恒压充电电流小于终止充电电流时，充电控制器模块输出充电完成信号并完成充电，其中Is(n)=Vc(n)-Vo(n)rb]]>Vc(n)是恒压充电电压、Vo(n)为单体锂离子蓄电池开环电压、rb为锂离子蓄电池内阻；充电电流开关管开度计算单元，接收恒流充电电流计算单元发送的恒流充电电流或者恒压充电电流计算单元发送的的恒压充电电流并对其采样得到采样设定充电电流Is(n)，获取n‑1周期的经过开关管开度调节的充电电流并对其采样得到采样反馈充电电流Ic(n‑1)，计算采样设定充电电流Is(n)与采样反馈充电电流Ic(n‑1)的误差ec(n)，然后计算充电控制器模块输出的控制信号占空比增量Δαc(n)后计算控制信号的占空比为αc(n)，利用控制信号的占空比计算反馈充电电流Ic(n)，如果设定充电电流小于反馈充电电流，则输出设定充电电流作为最终充电电流，如果设定充电电流大于反馈充电电流，则输出反馈充电电流作为最终充电电流，最后将控制信号的占空比增量Δαc(n)、控制信号占空比αc(n)、最终充电电流发送至充电电流保持单元；其中，Ic(n)＝In(n)ηc·αc(n)αc(n)＝αc(n‑1)+Δαc(n)Δαc(n)＝Kcp[ec(n)‑ec(n‑1)]+TKciec(n)ec(n)＝Is(n)‑Ic(n‑1)，ec(n‑1)为第n‑1周期采样设定充电电流与采样反馈充电电流的误差，αc(n‑1)为第n‑1周期的控制信号的占空比，ηc为充电控制器的效率，In(n)为太阳电池阵输出电流；充电电流保持单元，接收充电电流开关管开度计算单元发送的控制信号占空比增量Δαc(n)、控制信号占空比αc(n)和主误差放大器模块中的第二主误差放大器计数模块发送的充电控制信号，如果满足((Δαc(n)<＝0)&(u2＝＝1))&(αc(n)！＝1)则输出n周期最终充电电流与n‑1周期最终充电电流的最小值，如果满足((Δαc(n)>0)&(u2＝＝1))则输出第n周期最终充电电流与第n‑1周期最终充电电流的最大值，如果不满足以上两种情况，将第n周期最终充电电流直接输出，其中，u2为充电控制信号；所述恒流转恒压的门限电压为恒压充电电压Vc(t)；所述小电流转大电流门限电压为小电流充电转大电流充电的参考电压；所述终止充电电流是锂离子蓄电池充电结束的电流阈值；所述设定电流为恒流充电电流计算单元计算得到的恒流充电电流或恒压充电电流计算单元计算得到的恒压充电电流；供电阵分流控制器模块：包括供电阵分流占空比信号计算单元、供电阵分流电流保持单元、供电阵分流电流计算单元和供电阵分流级数确定单元，其中供电阵分流占空比信号计算单元，获取供电阵母线电压和设定分流母线电压并采样，将采样供电阵母线电压减去采样设定分流母线电压得到母线电压误差信号er(n)，计算控制分流管开度的分流占空比信号增量Δαf(n)，然后计算分流占空比信号αf(n)，将分流占空比信号发送至供电阵分流电流计算单元，将分流占空比信号增量和分流占空比信号送至供电阵分流电流保持单元；其中，αf(n)＝αf(n‑1)+Δαf(n)Δαf(n)＝KfP[er(n)‑er(n‑1)]+KfiTer(n)+Kfd[er(n)‑2er(n‑1)+er(n‑2)]/T，Kfp、Kfi、Kfd分别为分流控制器的PID参数，T为采样时间，er(n‑1)为第n‑1周期的母线电压误差信号，er(n‑2)为第n‑2周期的母线电压误差信号，αf(n‑1)为第n‑1周期的分流占空比信号；供电阵分流电流计算单元，接收分流占空比信号αf(n)，获取太阳阵输出总电流In，计算太阳阵分流电流If，并将太阳阵分流电流发送至供电阵分流电流保持单元；其中，If＝αf(n)·In；供电阵分流电流保持单元，接收供电阵分流占空比信号计算单元发送的分流占空比信号增量和分流占空比信号，接收供电阵分流电流计算单元发送的太阳阵分流电流，接收主误差放大器模块中的第三主误差放大器计数单元发送的供电阵分流控制信号，如果分流占空比信号增量、分流占空比信号和分流控制信号满足((Δαf(n)<＝0)&(u2＝＝1))&(αf(n)！＝1)则将n周期的太阳阵分流电流与n‑1周期太阳阵分流电流的最小值作为最终太阳阵分流电流并送至供电阵分流级数确定单元，如果满足((Δαf(n)>0)&(u2＝＝1))则将n周期太阳阵分流电流与n‑1周期太阳阵分流电流的最大值作为最终太阳阵分流电流并送至供电阵分流级数确定单元，如果不满足以上两种情况，则将n周期太阳阵分流电流作为最终太阳阵分流电流并送至供电阵分流级数确定单元，其中Δαf(n)为分流占空比信号增量，u2为分流控制信号，αf(n)为分流占空比信号；供电阵分流级数确定单元，接收供电阵分流电流保持单元输出的最终太阳阵分流电流，将最终太阳阵分流电流除每级分流能力并取整，如果分流电流大于0，则将取整得到的数值加1作为分流级数并输出，如果分流电流小于0，则将0作为分流级数并输出；充电阵分流控制器模块：包括充电阵分流占空比信号计算单元、充电阵分流电流保持单元、充电阵分流电流计算单元和充电阵分流级数确定单元，其中，充电阵分流占空比信号计算单元，获取充电阵母线电压和设定分流母线电压并采样，将采样充电阵母线电压减去采样设定分流母线电压得到母线电压误差信号er(n)，计算控制分流管开度的分流占空比信号增量Δαf(n)，然后计算分流占空比信号αf(n)，将分流占空比信号发送至充电阵分流电流计算单元，将分流占空比信号增量和分流占空比信号送至充电阵分流电流保持单元；其中，αf(n)＝αf(n‑1)+Δαf(n)Δαf(n)＝KfP[er(n)‑er(n‑1)]+KfiTer(n)+Kfd[er(n)‑2er(n‑1)+er(n‑2)]/T，Kfp、Kfi、Kfd分别为分流控制器的PID参数，T为采样时间，er(n‑1)为第n‑1周期的母线电压误差信号，er(n‑2)为第n‑2周期的母线电压误差信号，αf(n‑1)为第n‑1周期的分流占空比信号；充电阵分流电流计算单元，接收分流占空比信号αf(n)，获取太阳阵输出总电流In，计算太阳阵分流电流If，并将太阳阵分流电流发送至充电阵分流电流保持单元；其中，If＝αf(n)·In；充电阵分流电流保持单元，接收充电阵分流占空比信号计算单元发送的分流占空比信号增量和分流占空比信号，接收充电阵分流电流计算单元发送的太阳阵分流电流，接收主误差放大器模块中的第三主误差放大器计数单元发送的充电阵分流控制信号，如果分流占空比信号增量、分流占空比信号和分流控制信号满足((Δαf(n)<＝0)&(u2＝＝1))&(αf(n)！＝1)则将n周期的太阳阵分流电流与n‑1周期太阳阵分流电流的最小值作为最终太阳阵分流电流并送至充电阵分流级数确定单元，如果满足((Δαf(n)>0)&(u2＝＝1))则将n周期太阳阵分流电流与n‑1周期太阳阵分流电流的最大值作为最终太阳阵分流电流并送至充电阵分流级数确定单元，如果不满足以上两种情况，则将n周期太阳阵分流电流作为最终太阳阵分流电流并送至充电阵分流级数确定单元，其中Δαf(n)为分流占空比信号增量，u2为分流控制信号，αf(n)为分流占空比信号；充电阵分流级数确定单元，接收充电阵分流电流保持单元输出的最终太阳阵分流电流，将最终太阳阵分流电流除每级分流能力并取整，如果分流电流大于0，则将取整得到的数值加1作为分流级数并输出，如果分流电流小于0，则将0作为分流级数并输出。