電推進(jìn)系統(tǒng)推力器供電測試單元設(shè)計(jì)

馬少君，魏 廣，李元明

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

電推進(jìn)系統(tǒng)推力器供電測試單元設(shè)計(jì)

馬少君，魏 廣，李元明

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

電推進(jìn)系統(tǒng)推力器在研制中需要對電源處理單元的輸出參數(shù)進(jìn)行測量。供電測試單元使用線性光耦構(gòu)成隔離模塊，通過隔離模塊和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成這些信號的測量。文章從設(shè)計(jì)需求、總體設(shè)計(jì)、電壓信號采樣、霍爾電流測量、信號的光隔離傳送、隔離變送模塊的供電隔離、整機(jī)供電隔離、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)造等方面敘述了供電測試單元的設(shè)計(jì)。特別是對于線性光耦廠商的推薦電路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高隔離傳輸帶寬。推力器供電測試單元經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證并取得了良好的應(yīng)用效果，其隔離傳輸精度達(dá)到了1‰，傳輸帶寬達(dá)到了30 kHz，隔離耐壓達(dá)到了2 500 V，通道間串?dāng)_小于60 db。

推力器；電源處理單元；供電測試單元；隔離變送；線性光耦

0 引言

隨著長壽命通訊衛(wèi)星、深空探測等項(xiàng)目需求，電推進(jìn)系統(tǒng)已成為上述任務(wù)飛行器必備的推進(jìn)手段，星用電推進(jìn)系統(tǒng)推力器需要使用多個(gè)復(fù)雜級聯(lián)的電源完成推力器的功能實(shí)現(xiàn)[1]。

上述復(fù)雜電源系統(tǒng)稱作電源處理單元（Power Processing Unit，PPU），在推力器研制中需要對電源處理單元的輸出（電壓、電流等參數(shù)）的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特征進(jìn)行測量。以往采用傳統(tǒng)通用儀器儀表對這些信號進(jìn)行測試，但是由于PPU具有高壓、大電流、電源級聯(lián)復(fù)雜等特點(diǎn)，而通用儀表輸入對電源、外殼的隔離耐壓一般也僅為數(shù)百伏特級別，且示波器等瞬態(tài)狀態(tài)測試儀器的表筆、連線、外殼等對地均耐壓不足，所以往往通過外加隔離電源或者電池供電，再在儀器儀表外殼單獨(dú)增加絕緣隔離結(jié)構(gòu)來進(jìn)行使用，造成設(shè)備使用狀態(tài)不規(guī)范，人身安全、設(shè)備安全都得不到保證，系統(tǒng)自動化水平低。在電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品化研制過程中，這些傳統(tǒng)的測試手段無法滿足電推進(jìn)系統(tǒng)測試需求，測試手段亟待更新，因而需要搭建一種測試系統(tǒng)（稱為推力器供電測試單元），系統(tǒng)需使用高速（高帶寬）、高耐壓的隔離測量變送模塊完成這些信號的變送，再使用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對這些信號的測量。

1 推力器供電測試單元的設(shè)計(jì)要求

1.1 輸入

推力器電源處理單元由A～G是獨(dú)立的7個(gè)電源構(gòu)成，分別接7個(gè)負(fù)載，供電測試單元接在電源與負(fù)載之間，每個(gè)電源分別引入輸入正、輸出正、電源回線，電源電流測量位置均在電源正線上。其中，電源A、B、C的電源回線地接在一起；電源A的輸出正與電源E的輸出正接在一起；電源E、F、G的電源回線接在一起；電源D的輸出正與電源A的電源地接在一起。連接關(guān)系如圖1所示。

電源輸入正與電源地間的輸入電壓范圍根據(jù)不同被測電源有0～1 400 V、0～300 V、0～50 V、0～10 V等多種情況，其中電源A輸出電壓1 400 V，電源E輸出電壓120 V，電源D輸出電壓-300 V，造成電源E、F、G的回線電平高于大地1 380 V；而電源D的回線電平低于大地300 V[2]。

圖1 PPU電源關(guān)系圖Fig.1 Power relationship of PPU

電源A的回線與大地有一個(gè)大約十伏左右的鉗制電位（電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求），所以對于供電測試單元電源A的回線與大地也需要是隔離的，此外為了防止通道間干擾和環(huán)模及其他測試設(shè)備對供電測試單元及推力器的干擾，所有線纜均屏蔽，屏蔽須與其他地、殼體絕緣。這些都為供電測試單元的研制提出了通道間高壓隔離、各不共地、信號全部浮地等研制要求[3]。

1.2 輸出

遠(yuǎn)端PC顯示與存儲電壓與電流示數(shù)及波形，采樣速率大于60 K/s。

1.3 指標(biāo)要求

（1）測量帶寬要求（-3 dB衰減）：優(yōu)于30 K/s；

（2）各被測電源輸入輸出對信號輸出、外殼、屏蔽、接地等隔離耐壓：1 400 V；

（3）電壓測量精度優(yōu)于1‰，電流測量精度優(yōu)于1%。

2 推力器供電測試單元設(shè)計(jì)

2.1 推力器供電測試單元總體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上功能約束和性能要求，供電測試單元由獨(dú)立的7個(gè)高速隔離變送模塊、16通道高性能數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)和遠(yuǎn)端PC機(jī)以及供電模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

供電測試單元需使用高速（高帶寬）、高耐壓的隔離測量變送模塊完成這些信號的變送，再使用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行采集處理完成測量。市場上的隔離變送器有很多，但是能達(dá)到1 500 V以上耐壓的產(chǎn)品較少（常見的有MORNSUN公司系列產(chǎn)品），而且普遍帶寬很低（以MORNSUN T5540CP隔離變送器為例，-3 dB衰減帶寬實(shí)測在1 K左右），不能滿足系統(tǒng)需要。應(yīng)對這種需求研制了一種基于線性光耦作為隔離元件完成模擬信號的隔離變送高速（高帶寬）、耐壓隔離的測量變送模塊。

圖2 供電測試單元組成圖Fig.2 Block diagram of Power supply measurement test unit

成熟的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案很多，設(shè)備采用基于NI CompactRIO及高速IO的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成了上述供電測試單元的研制，供電測試單元需要對系統(tǒng)瞬態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測，因而需要測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率達(dá)到60 k/s的速度，高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用NI的CompactRIO配以9 229采集模塊來滿足要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程PC通信。

由于系統(tǒng)對耐壓有較高要求，故供電測試單元內(nèi)部所有電源輸入輸出線都采用耐壓為2 500 V的屏蔽導(dǎo)線。每個(gè)變送模塊單獨(dú)加殼，殼體接屏蔽，殼體安裝在膠木板（酚醛樹脂）上，不與機(jī)殼接觸。

2.2 高速隔離變送模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 模塊總體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上功能和性能要求，高速隔離變送模塊采用高壓電阻對被測電源電壓進(jìn)行分壓調(diào)理、霍爾傳感器對被測電源電流進(jìn)行采樣調(diào)理，經(jīng)過線性光耦進(jìn)行隔離變送后送至輸出口，根據(jù)上述電路要求，還需配置DC-DC隔離電源等輔助電路，高速隔離變送模塊原理如圖3所示。

由于推力器對被測電源間的串?dāng)_提出要求，故為每一個(gè)被測電源的調(diào)理隔離模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)印制板，并將每塊印制板單獨(dú)裝入隱蔽盒體中，并將盒體與系統(tǒng)屏蔽相連接。調(diào)理隔離模塊外形為約200 mm×100 mm×60 mm長方形鋁合金盒體，前面板布置供電輸入和隔離測量輸出接口，輸入正、輸出正、電源回線，PPU電源線從后面板引入，每套供電測試單元被包含7個(gè)這樣的模塊。

圖3 高速隔離變送模塊原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of high voltage and high speed isolation conversion module

2.2.2 電壓采樣及調(diào)理電路

高壓電壓采樣使用R180F/C型高壓分壓電阻，按需求選擇阻值及分壓比，由于長期工作時(shí)功耗應(yīng)滿足降額需求并且不能影響被測電源工作，所以分流電流限制數(shù)百微安級，但過大的電阻值會造成分壓采樣電路帶寬特性變差，且由于高壓原因無法使用電容補(bǔ)償，經(jīng)過折中設(shè)計(jì)，分壓器的電阻值在10 MΩ姆級別，功耗在數(shù)十毫瓦級別，保證分壓采樣電路-3 dB帶寬在50 K左右。

通過R180F/C分壓電阻將被測電源電壓分壓至0～+10 V，但是這個(gè)信號的輸出能力比較弱，不足以驅(qū)動線性光耦，所以經(jīng)過TVS管限幅保護(hù)的信號后需要進(jìn)行跟隨，跟隨器由±15 V供電的OP-27高速運(yùn)算放大器構(gòu)成，速率可以滿足系統(tǒng)30 K的帶寬要求，電壓采樣及調(diào)理電路原理如圖4所示。

2.2.3 電流采樣及調(diào)理電路

由于系統(tǒng)要求電流測量需要在被測電源輸入正線完成，使用采樣電阻進(jìn)行采樣會有諸多不便，所以供電測試單元使用霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)被測電源的電流測量。

圖4 電壓采樣及調(diào)理電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of voltage sampling and modulate circuit

對于較大電流的測量，霍爾傳感器采用LEM公司的LA35-NP，通過跳線有多種原邊電流值可選，可分別實(shí)現(xiàn)35 A、17.5 A、11.75 A、8.75 A、7 A等量程的電流測量，采用±15 V供電，測量精度優(yōu)于0.5%，線性度優(yōu)于0.2%。

對于毫安級電流的測量，霍爾傳感器采用LEM公司CT0.4-P，原邊電流0.4 A，最大原邊電流0.8 A，通過對穿線孔穿線圈數(shù)的不同，可以靈活設(shè)置不同量程，采用±15 V供電，測量精度優(yōu)于1%，線性度優(yōu)于0.5%。經(jīng)過霍爾傳感器測量的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)OP-27運(yùn)放路調(diào)理成為0～+10 V的電壓信號，電流測量及調(diào)理電路原理如圖5所示。

圖5 電流測量及調(diào)理電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of current measurement sampling and modulate circuit

2.2.4 光隔離電路設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)抗干擾能力和安全性，電流和電壓采樣信號均進(jìn)行光電隔離，然后送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。隔離電路采用Agilent公司的線性光耦HC?NR201為核心設(shè)計(jì)。HCNR201的原理如圖6所示，由發(fā)光二極管LED、反饋光電二極管PD1、輸出光電二極管PD2組成。當(dāng)LED通過驅(qū)動電流If時(shí)，發(fā)出紅外光（伺服光通量K1、K2），該光分別照在PD1、PD2上，反饋光電二極管PD1吸收光通量的一部分，從而產(chǎn)生控制電流 Il（Il=0.005If）。

圖6 HCNR201內(nèi)部原理圖Fig.6 Internal schematic diagram of HCNR201

該電流用來調(diào)節(jié)If，以補(bǔ)償LED的非線性，輸出光電二極管PD2產(chǎn)生的輸出電流I2，與LED發(fā)出的伺服光通量成線性比例，令伺服電流增益K1=I1/If，正向增益 K2=I2/If，則傳輸增益 K3=K2/Kl=I2/I1，K3的典型值為1。該器件的非線性度為0.01%，帶寬大于1 MHz，額定隔離電壓為8 000 V，但不可以無限期在任意溫度下隔離8 000 V電壓，連續(xù)運(yùn)行隔離電壓為1 414 V[4]。

HCNR201使用同一基板上的兩只工藝參數(shù)一致的光電二極管實(shí)現(xiàn)反饋補(bǔ)償，且在使用中兩只光電二極管工況一致，即使光電二極管光敏特性發(fā)生老化也是同步變化，有效克服了一般光耦使用后期老化衰減、線性度變化等缺點(diǎn)，可以保證設(shè)備在使用壽命內(nèi)參數(shù)不會發(fā)生漂移，保證了傳輸精度和測量可重復(fù)性。

光隔離電路除HCNR201還包含其他輔助器件組成，光隔離電路原理如圖7所示。設(shè)計(jì)使用廠商手冊推薦的高精度測量推薦電路，工作原理不再敘述，但是廠商原電路帶寬只有1 K[5]。因此供電測試單元對電路進(jìn)行調(diào)整，其中運(yùn)放由LT1097改用OP27以滿足系統(tǒng)30 K/s的帶寬要求，此外運(yùn)放反饋回路上的濾波電容由47 pF和33 pF分別改為4.7 pF和3.3 pF。

2.2.5 模塊供電電路設(shè)計(jì)

隔離電路前后級都需要隔離電源供電，隔離模塊供電電路原理如圖8所示，模塊需要獨(dú)立的兩個(gè)±15 V供電，前級供電為左側(cè)的±15 Va，為光隔離電路IC2供電，同時(shí)還為測量電流的霍爾傳感器供電。后級（測量）供電為右側(cè)的±15 Vb，為光隔離電路IC3供電。DC-DC模塊輸出配置共模電感，用于降低電源噪聲對供電測試單元的影響，同時(shí)也避免供電測試單元干擾整個(gè)系統(tǒng)的工作。

C9、C10為1 uf（或者高至10 uf）的CBB電容，用以交流接地，消除設(shè)備周邊或者自身感生進(jìn)來的50 Hz工頻干擾，C9必須為耐壓2 500 V以上的CBB電容，因?yàn)檫@個(gè)電容體積和成本都比較高，所以如果被測電源或者系統(tǒng)具備這個(gè)電容，供電測試單元可以不接，電源D由于是正線與其他電源回線相連，所以測量地浮空，必須配置這個(gè)電容保證交流接地，C10為普通CBB電容。

圖7 光隔離電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of optical isolation circuit

圖8 隔離模塊供電電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of isolation module supply circuit

2.3 供電測試單元供電模塊設(shè)計(jì)

將被測電源分成了三組，即電源D（回線電平-300 V）；電源A、B、C（回線電平-10～+10 V）；電源E、F、G（回線電平+1 380 V）；由于高速隔離變送模塊上的PCB板安裝式DC-DC電源模塊前后級隔離耐壓一般在600 V左右，不能滿足電源A、B、C和電源E、F、G回線之間1 380 V的耐壓能力，設(shè)計(jì)中的DCDC模塊雖為定制的耐壓1 500 V的工業(yè)級產(chǎn)品，但是考慮到產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)安全問題，額外采用了兩級隔離供電的方式確保設(shè)備安全。即采取了對接在不同回線電平的AC-DC電源模塊單獨(dú)供電的模式，增加一級隔離措施，系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)如圖9所示。圖中C1、C2、C3為1 uf（或者高至10 uf）的CBB電容，同樣用以交流接地，消除設(shè)備周邊或自身感生進(jìn)來的50 Hz工頻干擾，其中C2同樣須為高耐壓（1 500 V以上）的CBB電容，C1、C3為普通CBB電容。

2.4 高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供電測試單元對數(shù)據(jù)的存儲要求較高，不允許存在數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，所以供電測試單元采用NI CompactRIO構(gòu)成高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由實(shí)時(shí)控制器NI cRIO-9022、8槽嵌入式機(jī)箱、數(shù)據(jù)采集模塊9222/9229、NITPC-2212觸控一體機(jī)，LabVIEW軟件及相關(guān)工具包構(gòu)成。

NI cRIO-9022實(shí)時(shí)控制器內(nèi)置主頻533 MHz的微處理器和Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度完全按照優(yōu)先級進(jìn)行，不會“死機(jī)”。內(nèi)置2 G閃存用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲，可通過USB接口、SD存儲模塊或網(wǎng)絡(luò)硬盤等方式擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲容量，具備千兆網(wǎng)口，系統(tǒng)可靠性高，循環(huán)周期抖動在為秒量極。

電壓、電流信號經(jīng)采樣、調(diào)理、隔離后送入NI CompactRIO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，電流信號和電壓信號的數(shù)據(jù)采集采用NI公司的NI9229模塊。NI9229模塊具有50 kS/s/通道的采樣率，±60 V輸入范圍，24位分辨率（精度優(yōu)于0.000 1%），crosstalk（1 kHz通道隔離度）達(dá)到-130 dB。系統(tǒng)采用4個(gè)NI9229模塊，配合NI CRIO系統(tǒng)的4槽機(jī)箱（或8槽機(jī)箱）來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集系統(tǒng)帶寬與精度滿足任務(wù)要求。

上位機(jī)采用便攜式PC機(jī)，使用以太網(wǎng)與Com?pactRIO通訊，可隨意布置，采集軟件基于LabVIEW開發(fā)相應(yīng)的上位軟件來實(shí)現(xiàn)信號運(yùn)算、處理、參數(shù)顯示、存儲、監(jiān)控、曲線的繪制、參數(shù)的設(shè)定以及報(bào)警等功能。

圖9 系統(tǒng)供電電路原理圖Fig.9 Schematic diagram of system supply circuit

供電測試單元CompactRIO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用以太網(wǎng)與上位機(jī)通訊，還可使用具備防雷能力的商用樓宇以太網(wǎng)交換機(jī)中繼，可以進(jìn)一步進(jìn)行高壓隔離，進(jìn)一步保證設(shè)備和人員安全。

供電測試單元的軟件開發(fā)主要包含：Compac?tRIO系統(tǒng)軟件、NITPC-2212軟件及PC上位機(jī)的軟件二部分。其中，CRIO-9022系統(tǒng)軟件由LV Real time、LV FPGA軟件二次開發(fā)配置而成，NITPC-2212軟件及PC上位機(jī)的軟件由LabVIEW軟件二次開發(fā)而成。

CRIO-9022軟件完成數(shù)據(jù)處理，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行初篩，低速率上報(bào)一般數(shù)據(jù)，對依據(jù)設(shè)定門限對被測信號變化狀態(tài)的瞬態(tài)進(jìn)行高速捕獲并存儲。

NITPC-2212軟件及PC上位機(jī)的軟件負(fù)責(zé)接收CompactRIO上報(bào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示和存儲。

3 結(jié)論

供電測試單元隔離設(shè)計(jì)耐壓1 400 V（經(jīng)過耐壓2 500 V，1 min的耐壓測試），前后級完全隔離，可以保證特種推進(jìn)系統(tǒng)推力器測試環(huán)節(jié)人員及設(shè)備安全。供電測試單元系統(tǒng)自動化程度高，在線測試，操作簡單，可以大幅節(jié)省推力器測試所需的人力和物力。經(jīng)過系統(tǒng)測試供電測試單元測試精度高（電壓1‰，電流1%）、采樣速率高達(dá)60 K，通道間串?dāng)_低于60 dB，可以完全替代原有桌面測試儀器儀表，滿足推力器測試要求。

[1]王少寧，陳昶文，張保平，等.霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字化電源處理單元設(shè)計(jì)[J].航天器工程，2016，25（5）：69-73.

[2]崔鐵民，唐福俊.離子電推進(jìn)系統(tǒng)中的陰極配電與控制[J].真空與低溫，2010，16（2）：99-104.

[3]王少寧，成鋼，趙登峰.空間離子電推進(jìn)系統(tǒng)電源處理單元設(shè)計(jì)[J].真空與低溫，2011，17（4）：235-240.

[4]Tan Y，F(xiàn)an D，Tao Y.Design and Implementation of DSP Ac?quisition Circuit Based on Linear Optocoupler HCNR200[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation，2006，6：12.

[5]楊居朋，王軍民，劉迪仁.基于線性光耦HCNR201雙極性信號隔離電路[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2009，24（6）：51-54.

DESIGN OF THRUSTER POWER SUPPLY MEASUREMENT UNIT FOR ELECTRIC PROPULSION SYSTEM

MAShao-jun，WEI guang，LI Yuan-ming
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

In the manufacture of Thruster of electric propulsion system，we need to measure the output parameter of power processing unit.This power supply measurement unit has built isolation module by linear optocoupler.Measurements are completed through those signals by isolation module and high speed data acquisition and processing module.This paper describes the design of power supply measurement unit，such as design requirement，overall design，voltage sampling，Hall current measurement，optical isolation transmittal of signal，isolation module power supply，system power supply，data acquisition and processing system，particularly in linear optocoupler to optimal design of the manufacturer’s recommends circuitry for improved transmission bandwidth.Power supply measurement unit has been successfully applied，and good effects were achieved，the isolated transmission accuracy is better than 1‰，transmission bandwidth over 30 kHz，isolated withstand voltage over 2 500 V and crosstalk of interchannel is better than 60 dB.

thruster；power processing unit；power supply measurement unit；isolation conversion；linear optocoupler

TN256

A

1006-7086（2017）05-0285-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.007

2017-05-26

馬少君（1983-），男，蘭州人，工程師，主要從事機(jī)電驅(qū)動控制及測量測試系統(tǒng)的研究。E-mail：msj_cast@163.com。