一種星載電源系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

摘 要： 為了增強(qiáng)對(duì)新一代星載蓄電池的管理，設(shè)計(jì)一套多功能的電源系統(tǒng)下位機(jī)變得有重要意義。在此論述了一種電源下位機(jī)的設(shè)計(jì)方案，它以MCS?51微處理器系統(tǒng)為核心，通過軟硬件相結(jié)合，針對(duì)蓄電池的特性，合理制定了蓄電池的充放電管理策略。實(shí)踐結(jié)果表明，電源下位機(jī)的技術(shù)方案可行，能有效地對(duì)蓄電池進(jìn)行控制，大大提升了星載蓄電池的工作壽命與可靠性。

關(guān)鍵詞： 電源下位機(jī)； 蓄電池； 充放電； 流程控制

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）04?0159?04

隨著衛(wèi)星設(shè)計(jì)工作壽命的延長(zhǎng)，將氫鎳蓄電池和鋰離子蓄電池用作衛(wèi)星的貯能設(shè)備，替代長(zhǎng)期以來一直在星上使用的鎘鎳蓄電池是目前星載用蓄電池的發(fā)展方向[1]。目前衛(wèi)星上使用的蓄電池在壽命期內(nèi)需要經(jīng)受數(shù)萬次的充放電循環(huán)，比原先衛(wèi)星的蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)要多數(shù)倍，為了保證蓄電池使用壽命、可靠性，對(duì)于蓄電池充放電的控制需更為精細(xì)、復(fù)雜。單純的硬件控制已無法滿足星載蓄電池充放電控制和在軌維護(hù)的需要，因此設(shè)計(jì)一套全新的多功能電源系統(tǒng)下位機(jī)對(duì)星載電源系統(tǒng)進(jìn)行控制就變得有重要意義[2?3]。

鑒于上述原因，提出一個(gè)適合于空間環(huán)境長(zhǎng)周期工作的蓄電池控制用電源下位機(jī)的設(shè)計(jì)方法，并做了進(jìn)一步的探討和研究。

1 電源下位機(jī)概述

電源系統(tǒng)下位機(jī)包括： 電源模塊、1553B總線收發(fā)模塊、指令控制模塊、遙測(cè)采集模塊和控制模塊?？紤]到空間應(yīng)用的不可維修性，電源下位機(jī)采用雙機(jī)冷備份的設(shè)計(jì)。圖1給出電源下位機(jī)的原理框圖。它把遙測(cè)變換采集、總線通信、指令發(fā)送、系統(tǒng)控制等多個(gè)模塊有機(jī)地融合為一體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源系統(tǒng)及蓄電池組的有效控制。

為了滿足對(duì)電源系統(tǒng)的控制要求，電源下位機(jī)采用以硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量電壓變換、處理工作，軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充放電閉環(huán)控制、進(jìn)行總線通信等工作。

1.1 硬件部分

硬件上對(duì)電池單體電壓、電池組電壓等模擬量采集后，使用高精度的運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，并采用差分放大電路，最后使用軟件判別修正，使轉(zhuǎn)換精度達(dá)到5 mV。在蓄電池溫度量采集的設(shè)計(jì)上，對(duì)測(cè)溫基準(zhǔn)5 V電源進(jìn)行四冗余處理，使得任意一路測(cè)溫基準(zhǔn)電源的損壞都不影響溫度量的正常采集。對(duì)指令控制電路的設(shè)計(jì)也采用四冗余設(shè)計(jì)，并通過組合碼排列的方式進(jìn)行指令解析，確保最壞情況也只會(huì)發(fā)送一條誤指令，但由于各種充放電指令都采取了3取2的模式，所以一條誤指令是不能對(duì)電池進(jìn)行充放電控制的。同時(shí)，設(shè)計(jì)了硬件看門狗電路，確保軟件跑飛時(shí)能對(duì)單片機(jī)進(jìn)行及時(shí)復(fù)位。

1.2 軟件部分

軟件上，對(duì)各類參數(shù)的采集通過軟件做數(shù)字平均濾波，確保在有干擾的情況下，各類參數(shù)的采集可靠有效。通過1553B總線與星務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行通信，及時(shí)反饋遙測(cè)信息和接收指令參數(shù)。在軟件中對(duì)上注控制參數(shù)進(jìn)行3取2比對(duì)，防止因空間單粒子翻轉(zhuǎn)等因素影響上注參數(shù)的正確性。將氫壓控制周期設(shè)計(jì)為連續(xù)2個(gè)周期滿足指令發(fā)送條件才發(fā)送指令。電池電量不足時(shí)，電源下位機(jī)向星務(wù)報(bào)警，由星務(wù)判斷關(guān)閉部分單機(jī)，確保平臺(tái)安全。

2 電源下位機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件系統(tǒng)組成

電源下位機(jī)包括4個(gè)硬件模塊，各功能模塊中，模擬量輸入交換子主、備機(jī)為熱備份，其余模塊主、備機(jī)均為冷備份。

2.1.1 電源模塊

電源模塊完成一次電源到二次電源的轉(zhuǎn)換，為電源下位機(jī)提供工作電源。

2.1.2 間接指令發(fā)送模塊

單片機(jī)經(jīng)過對(duì)電源輸入?yún)?shù)的判斷，當(dāng)滿足發(fā)送指令的條件后，立即從P0口送出信號(hào)經(jīng)鎖存、譯碼后由驅(qū)動(dòng)器送出指令脈沖，脈沖經(jīng)鎖存器鎖存一定脈沖寬度后清除，脈沖寬度由單片機(jī)定時(shí)器控制。

2.1.3 遙測(cè)采集模塊

遙測(cè)采集模塊有2個(gè)功能：第一是對(duì)蓄電池輸入的電壓或電流量變換為適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換的范圍；第二是若干路模擬量在控制模塊選通信號(hào)控制下，由模擬門變換為PAM信號(hào)，然后送至控制模塊進(jìn)行采集、處理。

2.1.4 控制模塊

控制模塊電路采用單片機(jī)作為控制核心，由單片機(jī)系統(tǒng)控制1553B總線通信、遙測(cè)參數(shù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、間接指令發(fā)送等功能?？刂齐娐返脑砜驁D如圖2所示。

單片機(jī)產(chǎn)生各級(jí)模擬門選通信號(hào)，配合控制A/D轉(zhuǎn)換器完成遙測(cè)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，AD芯片選用了AD574AUD模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)12位，能夠滿足對(duì)電池參數(shù)采樣判斷的精度要求。同時(shí)，單片機(jī)根據(jù)實(shí)際采樣值進(jìn)行運(yùn)算和值域判斷，對(duì)滿足條件的采樣值或判斷值，給出相應(yīng)的指令地址用以指令發(fā)送。

單片機(jī)在控制輸出的同時(shí)，將所采集的數(shù)據(jù)或參數(shù)按照需要進(jìn)行數(shù)據(jù)包封裝，通過1553B總線傳至衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行后處理。另外，單片機(jī)還通過1553B總線接收來自星務(wù)計(jì)算機(jī)的注數(shù)包和指令包，解析后執(zhí)行相應(yīng)操作。1553B協(xié)議處理器采用美國(guó)DDC公司的芯片BU65170作為一個(gè)終端RT，該芯片具有確定的傳輸延遲，可靠的傳輸能力，容錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于航空，航天和軍事領(lǐng)域的電子設(shè)備中[4]。

2.2 軟件控制流程

電源下位機(jī)軟件主要完成3項(xiàng)功能：對(duì)氫鎳蓄電池組進(jìn)行氫壓和安時(shí)計(jì)充電控制；對(duì)鋰離子蓄電池組進(jìn)行充電控制和均衡管理；與星務(wù)主機(jī)進(jìn)行通信。

2.2.1 氫鎳蓄電池組控制流程

平臺(tái)氫鎳蓄電池組的充電控制是由氫壓控制作為主要手段。

氫壓控制的內(nèi)容包括：

（1） 連續(xù)采集當(dāng)前各電池模塊的氫壓，與設(shè)定值（上限、下限）進(jìn)行比較，在條件滿足后即當(dāng)前氫壓超過設(shè)定氫壓上限時(shí)發(fā)出充電終止指令，當(dāng)前氫壓低于設(shè)定氫壓下限時(shí)發(fā)出充電解鎖指令。氫壓設(shè)定值（上限、下限）可在軌注數(shù)“氫壓設(shè)置”參數(shù)來修改。

（2） 氫壓控制蓄電池組充電的同時(shí)設(shè)有電池組溫度及電池組電壓監(jiān)控，當(dāng)蓄電池組溫度大于溫度設(shè)定值或蓄電池組電壓過高時(shí)即發(fā)出充電終止指令，停止充電。溫度設(shè)定值由在軌注數(shù)“溫度設(shè)定”參數(shù)設(shè)定。

氫壓控制流程如圖3所示。

同時(shí)，為了提高可靠性，氫鎳蓄電池組充電控制還可由安時(shí)計(jì)控制輔助手段實(shí)現(xiàn)。

氫壓控制和安時(shí)計(jì)控制2種充電控制方式相互獨(dú)立，通過安時(shí)計(jì)接通、斷開指令進(jìn)行控制模式切換。安時(shí)計(jì)控制流程如圖4所示。

在每次下位機(jī)加電或復(fù)位重新開始工作時(shí)，對(duì)蓄電池組過溫保護(hù)狀態(tài)標(biāo)志、蓄電池組過壓保護(hù)狀態(tài)標(biāo)志等數(shù)據(jù)先做初始化操作，然后按照實(shí)際的流程進(jìn)行相應(yīng)的控制。

2.2.2 鋰離子電池組控制流程

鋰離子蓄電池組充電保護(hù)控制功能，首先根據(jù)采集到的鋰離子蓄電池組電壓和單體電壓，與設(shè)定的控制電壓以及過壓保護(hù)電壓進(jìn)行比較，并對(duì)充電終止時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)判斷，在條件滿足后發(fā)出充電終止或充電恢復(fù)指令。

其中，控制電壓及過壓保護(hù)電壓的設(shè)定值可通過總線注數(shù)修改。由于鋰離子電池組是由多節(jié)單體鋰離子電池所組成，為了提高鋰離子蓄電池單體之間的均衡性，電源下位機(jī)提供了對(duì)鋰離子蓄電池單體均衡管理的功能。

根據(jù)采集到的鋰離子蓄電池單體電壓，在正常單體電壓中找出最低電壓，將每個(gè)單體電壓和最低電壓進(jìn)行差值計(jì)算，差值與設(shè)定的均衡閾值比較，單體電壓和最低電壓的差值大于等于設(shè)定的均衡閾值或單體電壓大于等于設(shè)定的單體控制電壓時(shí)發(fā)均衡開指令，滿足相應(yīng)條件后發(fā)均衡關(guān)指令。設(shè)定的閾值電壓可通過總線注數(shù)修改。

均衡管理流程見圖5。

2.2.3 總線通信

電源下位機(jī)通過1553B總線來實(shí)現(xiàn)與其上位機(jī)星務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括發(fā)送組幀后的遙測(cè)值，接收指令參數(shù)等。具體的組幀格式和參數(shù)上注包格式可根據(jù)總體規(guī)定的軟件高層通信協(xié)議要求執(zhí)行。

3 結(jié) 語

在航天任務(wù)中，星載蓄電池廣泛運(yùn)用于各衛(wèi)星型號(hào)中。本文以增強(qiáng)對(duì)星載蓄電池的控制為目的，設(shè)計(jì)了一種新型的基于電源系統(tǒng)的下位機(jī)，對(duì)星載蓄電池控制的可靠性有效提高。通過該方法，可使星載蓄電池使用壽命大大增加。目前該產(chǎn)品已完成樣機(jī)的研制，實(shí)際應(yīng)用于在軌衛(wèi)星型號(hào)當(dāng)中，取得了較理想的效果。

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