進(jìn)入21世紀(jì)以來，微小衛(wèi)星（micro-salite）以其較高的功能密度，先進(jìn)的技術(shù)性能以及發(fā)射與運(yùn)行過程中的高度的靈活性，逐漸成為航天技術(shù)研究領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。按照當(dāng)前通行的衛(wèi)星分類方法，重量在0.1～1kg之間的微小衛(wèi)星可稱為皮衛(wèi)星（pico-salite）。對于以皮衛(wèi)星為代表的微小衛(wèi)星而言，由于其太陽能帆板面積十分有限，同時面臨復(fù)雜多變的空間環(huán)境，因此要求衛(wèi)星電源系統(tǒng)具有率、高能量密度與控制自主化的特點，這是目前一般工業(yè)電源所難以達(dá)到的。
本文針對皮衛(wèi)星電源系統(tǒng)的特點開發(fā)了一套智能化、率的數(shù)字化電源系統(tǒng)，其智能化設(shè)計主要體現(xiàn)在：通過多種測量電路對電源系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點的電壓、電流等重要信號進(jìn)行實時采集、處理與分析，隨時掌握電源系統(tǒng)的能量輸入、貯存與輸出以及實時效率等重要參數(shù)；在數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，通過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zui大輸入功率點；針對不同空間任務(wù)需求與能量界面參數(shù)，通過調(diào)整軟件靈活地進(jìn)行電源運(yùn)行實驗；通過串口通信方式與上位機(jī)通信，為衛(wèi)星電源系統(tǒng)測控以及數(shù)據(jù)儲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
皮衛(wèi)星智能電源系統(tǒng)基于“太陽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。電源控制系統(tǒng)作為整個電源系統(tǒng)的核心部分，主要由以下幾個部分構(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、電壓電流信號采集單元、信號處理單元、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，同時完成對輸入峰值功率的跟蹤與鎖定；供給二次母線的功率經(jīng)過二次母線調(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)點的電壓電流信號，經(jīng)由電壓跟隨器、一階濾波電路與多路信號選通芯片，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)點信號，經(jīng)過進(jìn)一步的處理與分析，向各級母線調(diào)節(jié)單元及充電控制單元發(fā)出控制信號，同時通過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max397雙8通道模擬多路器與max6129參考電壓源等外圍設(shè)備組成，如圖2所示。atmega8l單片機(jī)是一款基于avrrisc的低功耗cmos的8位單片機(jī)，具有接近1mips/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位以內(nèi)的pwm輸出功能，因此在系統(tǒng)中完成10位信號a/d轉(zhuǎn)換與處理，mppt算法實現(xiàn)以及31.25khzpwm控制信號輸出等重要功能。
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boostdc/dc電壓變換電路為核心，同時增加了以兩個mosfet組合而成的一次母線控制開關(guān)，如圖3所示。boost電壓變換電路由mosfet開關(guān)管q1，續(xù)流二極管d3、d4，儲能電感l(wèi)2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控制信號占空比d，可調(diào)整輸入電壓（即太陽電池陣輸出電壓）vin。在此基礎(chǔ)上，調(diào)用峰值功率跟蹤（mppt）算法，實現(xiàn)太陽電池陣輸出功率zui大化。
1.3電流電壓信號采集單元
信號采集單元以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)點的電壓電流信號。信號送入集成運(yùn)放lm234進(jìn)行電壓跟隨，再經(jīng)過一階r-c濾波電路濾去紋波，zui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組合電子開關(guān)構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)同圖3右側(cè)的電子開關(guān)。充電過程中，mosfet驅(qū)動器輸出高電平信號，則n-mosfetirf3205導(dǎo)通，使p-mosfetirf4905的g極電壓近似為0，此時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，微處理單元控制電子開關(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.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)動的n-mosfet與p-mosfet組合電子開關(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“邏輯1電平+5v，邏輯0電平0v”，轉(zhuǎn)化為上位機(jī)rs-232c信號“邏輯1電平-5～-15v，邏輯0電平+5～+15v”。
2、皮衛(wèi)星智能電源系統(tǒng)的軟件與算法設(shè)計
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“信號巡回檢測→pwm控制信號調(diào)整→系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)傳輸→再次信號巡回檢測”過程為主干，并在“巡檢→控制→數(shù)據(jù)傳輸”過程中增加充電控制、放電控制等分支控制功能?？刂栖浖捎媚K化思想設(shè)計，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。
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算法實現(xiàn)其功率的zui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，與對應(yīng)電流值imp之間乘積達(dá)到zui大值，即為太陽電池陣峰值輸出功率點pmp。
在峰值功率點處，輸出功率對輸出電壓的微分
dp/dv=d（vi）/dv=i+vdi/dv=0（2）
進(jìn)一步推導(dǎo)，可得：-di/dv=i/v（3）
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)前時刻與上一時刻的太陽電池陣輸出電壓、電流值，d（n）,d（n+1）分別為當(dāng)前時刻與下一時刻的占空比，d為占空比調(diào)整步長。根據(jù)采集的電流、電壓信號，微處理單元不斷增減pwm信號占空比，利用boost電壓變換電路調(diào)整太陽電池陣的輸出電壓，從而使工作點到達(dá)峰值功率點pmp，衛(wèi)星電源系統(tǒng)獲得zui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輸入變量分別取為當(dāng)前時刻電導(dǎo)增量差值e（n）=-di/dv-i/v和占空比調(diào)整步長d（n），輸出變量取為下一時刻的占空比調(diào)整步長d（n+1）。然后建立相應(yīng)的隸屬度函數(shù)與模糊規(guī)則庫，此處從略。模擬實驗表明，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間減少了60%以上。
3、結(jié)論
本文針對皮衛(wèi)星電源系統(tǒng)的特點開發(fā)了一套智能化的航天電源系統(tǒng)，該電源系統(tǒng)以atmega8l單片機(jī)為核心，對電源系統(tǒng)各關(guān)鍵節(jié)點的信號進(jìn)行實時采集與處理，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)。模擬實驗表明，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，zui大輸入功率達(dá)到約2.75w，電源整體效率保持在82%以上。
本文創(chuàng)新點：采用atmega8l單片機(jī)為核心控制器，在航天電源系統(tǒng)中實現(xiàn)了運(yùn)行參數(shù)實時采集、系統(tǒng)自主功率跟蹤、充放電調(diào)節(jié)以及上、下位機(jī)數(shù)據(jù)通信等智能化控制方法；提出了基于模糊控制邏輯的電導(dǎo)增量mppt算法，快速實現(xiàn)對電源系統(tǒng)輸入峰值功率的跟蹤。