皮卫星智能航天电源系统设计
本文针对皮卫星电源系统的特点开发了一套智能化、高效率的数字化电源系统，其智能化设计主要体现在：通过多种测量电路对电源系统各关键节点的电压、电流等重要信号进行实时采集、处理与分析，随时掌握电源系统的能量输入、贮存与输出以及实时效率等重要参数；在数据采集基础上，通过微控制器及其控制软件的处理，合理地采取峰值功率跟踪（mppt）、充放电调节(bcr/bdr)等控制策略，控制电源系统工作状态，跟踪最大输入功率点；针对不同空间任务需求与能量界面参数，通过调整软件灵活地进行电源运行实验；通过串口通信方式与上位机通信，为卫星电源系统测控以及数据储存与传输提供了良好条件。
1 皮卫星智能电源系统的硬件设计
皮卫星智能电源系统基于“太阳能电池阵——电源控制系统——蓄电池组”拓扑结构进行设计[2]。电源控制系统作为整个电源系统的核心部分，主要由以下几个部分构成：微控制单元、一次母线电压调节单元（即峰值功率跟踪单元）、二次母线电压调节单元（即放电调节单元）、充电调节单元、电压电流信号采集单元、信号处理单元、串行通信单元等。
电源控制系统的基本工作流程为：根据预先设定的空间环境参数，由太阳电池阵模拟器形成电源系统的初始输入；初始输入经过一次母线电压调节单元的调节，形成与蓄电池组工作电压相匹配的一次母线电压7.2v～8.4v，同时完成对输入峰值功率的跟踪与锁定；供给二次母线的功率经过二次母线调节器的调节，分别为星上负载提供5v与3.3v两种二次母线电压；电压电流信号采集单元不断采集初始输入、一次母线、蓄电池组、二次母线等各关键节点的电压电流信号，经由电压跟随器、一阶滤波电路与多路信号选通芯片，送入微控制单元进行a/d转换；微控制器根据各关键节点信号，经过进一步的处理与分析，向各级母线调节单元及充电控制单元发出控制信号，同时通过串行通信单元向上位机传送数据。
1.1 微控制单元
微控制单元电路以atmel 公司推出的atmega8l单片机为核心，配以max 397双8通道模拟多路器与max 6129参考电压源等外围设备组成，如图2所示。atmega8l单片机是一款基于avr risc的低功耗cmos的8位高档单片机，具有接近1 mips/mhz的高速运行处理能力。atmega8l具有23路可编程多功能i/o端口，八通道10位a/d转换和三通道16位以内的pwm输出功能，因此在系统中完成10位信号a/d转换与处理，mppt算法实现以及31.25khz pwm控制信号输出等重要功能。
1.2 一次母线电压调节单元（峰值功率跟踪单元）
一次母线电压调节单元电路以boost dc/dc电压变换电路为核心，同时增加了以两个mosfet组合而成的一次母线控制开关，如图3所示。boost电压变换电路由mosfet开关管q1，续流二极管d3、d4，储能电感l2与滤波电容c13组成，升压变换比满足
m = vout/vin = 1/ (1-d) （1）
由于一次母线输出电压vout被钳位在蓄电池组工作电压，即7.2v～8.4v区间某特定值，则调整微处理单元发出的pwm控制信号占空比d，可调整输入电压（即太阳电池阵输出电压）vin。在此基础上，调用峰值功率跟踪（mppt）算法，实现太阳电池阵输出功率最大化。
1.3 电流电压信号采集单元
信号采集单元以max4373f电流传感放大器与分压精密电阻为核心，采集初始输入、一次母线、蓄电池组、5/3.3v二次母线等6处节点的电压电流信号。信号送入集成运放lm234进行电压跟随，再经过一阶r-c滤波电路滤去纹波，最终送入max397等待a/d转换。
1.4 充电调节器单元
蓄电池组充电调节器由n-mosfet与p-mosfet组合电子开关构成，具体结构同图3右侧的电子开关。充电过程中，mosfet驱动器输出高电平信号，则n-mosfet irf3205导通，使p-mosfet irf4905的g极电压近似为0，此时irf4905的s极与g极间电压为正，使irf4905导通。当蓄电池组达到满充电压时，微处理单元控制电子开关关断。
1.5 二次母线电压调节单元（放电调节单元）
由于输出电压为特定值，二次母线电压调节单元中采用了max649（5v输出）、max651（3.3v输出）的buck型dc/dc降压变换控制芯片。 max649、max651芯片将4.0v～16.5v范围内的任意的一次母线电压分别转换为3.3v与5v，供给星上各分系统的能量需求。当输出电流处于10ma～1.5a范围内，芯片功率转换效率可达到90％以上。
放电调节器同样由受微控制单元驱动的n-mosfet与p-mosfet组合电子开关构成。
1.6 串行通信单元
串行通信单元电路以双通道串口通信驱动芯片max232为核心，使用串口通信标准eia-rs-232c协议。max232将单片机输出的ttl电平信号 “逻辑1电平+5v，逻辑0电平0v”，转化为上位机rs-232c信号“逻辑1电平-5～-15v，逻辑0电平+5～+15v”。
2 皮卫星智能电源系统的软件与算法设计
2.1 皮卫星电源系统控制软件基本流程
电源系统控制软件流程主要以“信号巡回检测→pwm控制信号调整→系统运行参数传输→再次信号巡回检测”过程为主干，并在“巡检→控制→数据传输”过程中增加充电控制、放电控制等分支控制功能。控制软件采用模块化思想设计，由系统初始化模块，多路a/d转换模块、数字滤波模块、数据分析与控制模块、串口通信模块等组成[3]。
2.2 基于模糊控制逻辑的电导增量mppt算法
皮卫星智能电源系统主要依靠软件中的mppt算法实现其功率的最大化。mppt算法原理在于：在一定的温度与光强条件下，卫星电源使用的太阳电池阵的输出电压与电流存在着非线性的关系，当输出电压到达特定值vmp，与对应电流值imp之间乘积达到最大值，即为太阳电池阵峰值输出功率点pmp。
在峰值功率点处，输出功率对输出电压的微分
dp/dv = d(vi)/dv = i+v di/dv = 0 （2）
进一步推导，可得：-di/dv = i/v （3）
由此关系，建立基于模糊控制逻辑的电导增量mppt算法。
其中，v(n),v(n-1),i(n),i(n-1)分别为当前时刻与上一时刻的太阳电池阵输出电压、电流值，d(n),d(n+1)分别为当前时刻与下一时刻的占空比，△d为占空比调整步长。根据采集的电流、电压信号，微处理单元不断增减pwm信号占空比，利用boost电压变换电路调整太阳电池阵的输出电压，从而使工作点到达峰值功率点pmp，卫星电源系统获得最大的输出功率。
进一步，在基本算法的基础上引入模糊控制逻辑，其作用为加快峰值功率跟踪的速度。模糊逻辑控制器的两个输入变量分别取为当前时刻电导增量差值e(n)= -di/dv- i/v和占空比调整步长△d(n)，输出变量取为下一时刻的占空比调整步长△d(n+1)。然后建立相应的隶属度函数与模糊规则库，此处从略。模拟实验表明，在标准空间环境条件(am0,25℃)下，引入模糊控制逻辑后的电导增量mppt算法，其峰值功率跟踪所需时间减少了60％以上。
3 结论
本文针对皮卫星电源系统的特点开发了一套智能化的航天电源系统，该电源系统以atmega8l单片机为核心，对电源系统各关键节点的信号进行实时采集与处理，并运用峰值功率跟踪等控制策略，控制系统工作状态。模拟实验表明，该电源系统在标准空间环境条件(am0,25℃)下，峰值功率跟踪性能良好，最大输入功率达到约2.75w，电源整体效率保持在82％以上。
世界屋脊终被电网覆盖，创造电力奇迹
物通博联工业网关支持IEC101/103/104转ModbusTCP和MQTT助力新能源发电
水泵控制器怎么调_水泵控制器不能自动怎么办
首发Smart精灵#3 中创新航全球出海纵深布局
乐视Pro3 所谓的“人工智能”到底有多了不起？
皮卫星智能航天电源系统设计
PLC和PC-based技术特点和优势对比
微软施压NVIDIA截杀，Intel如何拥抱人工智能？
数字PWM的新型超声波清洗电源发生器设计
翼辉信息联合晶心科技推出AndesCore™ A25系列RISC-V处理器
恩智浦为智能移动设备打造移动票务功能
免费下载 | 部署8个重点行动！中央网信办等10部门印发《数字乡村发展行动计划(2022-2025年)》
几种光耦替换型号
微生物培养箱测试仪的产品特点是怎样的
荣耀智能手机已经与华为彻底分离
高通解禁4G芯片?
华为欧拉系统合作公司有哪些
RT8857应用电路及参数
6大网络安全趋势和区块链有关系吗
一文介绍区块链到底是什么_通俗易懂
1 皮卫星智能电源系统的硬件设计
皮卫星智能电源系统基于“太阳能电池阵——电源控制系统——蓄电池组”拓扑结构进行设计[2]。电源控制系统作为整个电源系统的核心部分，主要由以下几个部分构成：微控制单元、一次母线电压调节单元（即峰值功率跟踪单元）、二次母线电压调节单元（即放电调节单元）、充电调节单元、电压电流信号采集单元、信号处理单元、串行通信单元等。
电源控制系统的基本工作流程为：根据预先设定的空间环境参数，由太阳电池阵模拟器形成电源系统的初始输入；初始输入经过一次母线电压调节单元的调节，形成与蓄电池组工作电压相匹配的一次母线电压7.2v～8.4v，同时完成对输入峰值功率的跟踪与锁定；供给二次母线的功率经过二次母线调节器的调节，分别为星上负载提供5v与3.3v两种二次母线电压；电压电流信号采集单元不断采集初始输入、一次母线、蓄电池组、二次母线等各关键节点的电压电流信号，经由电压跟随器、一阶滤波电路与多路信号选通芯片，送入微控制单元进行a/d转换；微控制器根据各关键节点信号，经过进一步的处理与分析，向各级母线调节单元及充电控制单元发出控制信号，同时通过串行通信单元向上位机传送数据。
1.1 微控制单元
微控制单元电路以atmel 公司推出的atmega8l单片机为核心，配以max 397双8通道模拟多路器与max 6129参考电压源等外围设备组成，如图2所示。atmega8l单片机是一款基于avr risc的低功耗cmos的8位高档单片机，具有接近1 mips/mhz的高速运行处理能力。atmega8l具有23路可编程多功能i/o端口，八通道10位a/d转换和三通道16位以内的pwm输出功能，因此在系统中完成10位信号a/d转换与处理，mppt算法实现以及31.25khz pwm控制信号输出等重要功能。
1.2 一次母线电压调节单元（峰值功率跟踪单元）
一次母线电压调节单元电路以boost dc/dc电压变换电路为核心，同时增加了以两个mosfet组合而成的一次母线控制开关，如图3所示。boost电压变换电路由mosfet开关管q1，续流二极管d3、d4，储能电感l2与滤波电容c13组成，升压变换比满足
m = vout/vin = 1/ (1-d) （1）
由于一次母线输出电压vout被钳位在蓄电池组工作电压，即7.2v～8.4v区间某特定值，则调整微处理单元发出的pwm控制信号占空比d，可调整输入电压（即太阳电池阵输出电压）vin。在此基础上，调用峰值功率跟踪（mppt）算法，实现太阳电池阵输出功率最大化。
1.3 电流电压信号采集单元
信号采集单元以max4373f电流传感放大器与分压精密电阻为核心，采集初始输入、一次母线、蓄电池组、5/3.3v二次母线等6处节点的电压电流信号。信号送入集成运放lm234进行电压跟随，再经过一阶r-c滤波电路滤去纹波，最终送入max397等待a/d转换。
1.4 充电调节器单元
蓄电池组充电调节器由n-mosfet与p-mosfet组合电子开关构成，具体结构同图3右侧的电子开关。充电过程中，mosfet驱动器输出高电平信号，则n-mosfet irf3205导通，使p-mosfet irf4905的g极电压近似为0，此时irf4905的s极与g极间电压为正，使irf4905导通。当蓄电池组达到满充电压时，微处理单元控制电子开关关断。
1.5 二次母线电压调节单元（放电调节单元）
由于输出电压为特定值，二次母线电压调节单元中采用了max649（5v输出）、max651（3.3v输出）的buck型dc/dc降压变换控制芯片。 max649、max651芯片将4.0v～16.5v范围内的任意的一次母线电压分别转换为3.3v与5v，供给星上各分系统的能量需求。当输出电流处于10ma～1.5a范围内，芯片功率转换效率可达到90％以上。
放电调节器同样由受微控制单元驱动的n-mosfet与p-mosfet组合电子开关构成。
1.6 串行通信单元
串行通信单元电路以双通道串口通信驱动芯片max232为核心，使用串口通信标准eia-rs-232c协议。max232将单片机输出的ttl电平信号 “逻辑1电平+5v，逻辑0电平0v”，转化为上位机rs-232c信号“逻辑1电平-5～-15v，逻辑0电平+5～+15v”。
2 皮卫星智能电源系统的软件与算法设计
2.1 皮卫星电源系统控制软件基本流程
电源系统控制软件流程主要以“信号巡回检测→pwm控制信号调整→系统运行参数传输→再次信号巡回检测”过程为主干，并在“巡检→控制→数据传输”过程中增加充电控制、放电控制等分支控制功能。控制软件采用模块化思想设计，由系统初始化模块，多路a/d转换模块、数字滤波模块、数据分析与控制模块、串口通信模块等组成[3]。
2.2 基于模糊控制逻辑的电导增量mppt算法
皮卫星智能电源系统主要依靠软件中的mppt算法实现其功率的最大化。mppt算法原理在于：在一定的温度与光强条件下，卫星电源使用的太阳电池阵的输出电压与电流存在着非线性的关系，当输出电压到达特定值vmp，与对应电流值imp之间乘积达到最大值，即为太阳电池阵峰值输出功率点pmp。
在峰值功率点处，输出功率对输出电压的微分
dp/dv = d(vi)/dv = i+v di/dv = 0 （2）
进一步推导，可得：-di/dv = i/v （3）
由此关系，建立基于模糊控制逻辑的电导增量mppt算法。
其中，v(n),v(n-1),i(n),i(n-1)分别为当前时刻与上一时刻的太阳电池阵输出电压、电流值，d(n),d(n+1)分别为当前时刻与下一时刻的占空比，△d为占空比调整步长。根据采集的电流、电压信号，微处理单元不断增减pwm信号占空比，利用boost电压变换电路调整太阳电池阵的输出电压，从而使工作点到达峰值功率点pmp，卫星电源系统获得最大的输出功率。
进一步，在基本算法的基础上引入模糊控制逻辑，其作用为加快峰值功率跟踪的速度。模糊逻辑控制器的两个输入变量分别取为当前时刻电导增量差值e(n)= -di/dv- i/v和占空比调整步长△d(n)，输出变量取为下一时刻的占空比调整步长△d(n+1)。然后建立相应的隶属度函数与模糊规则库，此处从略。模拟实验表明，在标准空间环境条件(am0,25℃)下，引入模糊控制逻辑后的电导增量mppt算法，其峰值功率跟踪所需时间减少了60％以上。
3 结论
本文针对皮卫星电源系统的特点开发了一套智能化的航天电源系统，该电源系统以atmega8l单片机为核心，对电源系统各关键节点的信号进行实时采集与处理，并运用峰值功率跟踪等控制策略，控制系统工作状态。模拟实验表明，该电源系统在标准空间环境条件(am0,25℃)下，峰值功率跟踪性能良好，最大输入功率达到约2.75w，电源整体效率保持在82％以上。
世界屋脊终被电网覆盖，创造电力奇迹
物通博联工业网关支持IEC101/103/104转ModbusTCP和MQTT助力新能源发电
水泵控制器怎么调_水泵控制器不能自动怎么办
首发Smart精灵#3 中创新航全球出海纵深布局
乐视Pro3 所谓的“人工智能”到底有多了不起？
皮卫星智能航天电源系统设计
PLC和PC-based技术特点和优势对比
微软施压NVIDIA截杀，Intel如何拥抱人工智能？
数字PWM的新型超声波清洗电源发生器设计
翼辉信息联合晶心科技推出AndesCore™ A25系列RISC-V处理器
恩智浦为智能移动设备打造移动票务功能
免费下载 | 部署8个重点行动！中央网信办等10部门印发《数字乡村发展行动计划(2022-2025年)》
几种光耦替换型号
微生物培养箱测试仪的产品特点是怎样的
荣耀智能手机已经与华为彻底分离
高通解禁4G芯片?
华为欧拉系统合作公司有哪些
RT8857应用电路及参数
6大网络安全趋势和区块链有关系吗
一文介绍区块链到底是什么_通俗易懂