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(哈爾濱工業(yè)大學 航天學院，哈爾濱 150001)

基于衛(wèi)星控制仿真轉(zhuǎn)臺的多路可充電直流電源系統(tǒng)設(shè)計

高樺，白子揚

(哈爾濱工業(yè)大學航天學院，哈爾濱150001)

針對航天工程地面仿真系統(tǒng)研制任務(wù)需要，設(shè)計和實現(xiàn)了可重復充電的多路直流穩(wěn)壓電源；對實驗轉(zhuǎn)臺上用電設(shè)備的做了需求分析，給出了電路設(shè)計方案，對穩(wěn)壓模塊進行了選型；電源系統(tǒng)采用12V7Ah蓄電池，穩(wěn)壓模塊采用DC-DC，功率放大器采用OPA548T；實驗結(jié)果證明設(shè)計是成功的，8路電壓輸出誤差平均值優(yōu)于0.1 V ，電源系統(tǒng)靜態(tài)工作時間長達10小時，滿足了仿真任務(wù)的設(shè)計需要。

直流電源系統(tǒng);蓄電池;DC-DC;OPA548T;姿態(tài)控制物理仿真系統(tǒng)

0 引言

可重復充電的多路直流穩(wěn)壓電源廣泛應(yīng)用在航空航天工程領(lǐng)域中，主要用來解決應(yīng)用系統(tǒng)中不方便提供交流動力電源時的問題，因此，研制該系統(tǒng)成了當前的重要需求。在電源系統(tǒng)設(shè)計的過程中，首先要考慮的就是用電設(shè)備的用電需求，即必須先滿足用電設(shè)備的工作電壓和工作電流，并留出足夠的功率余量以保證其工作的可靠性[1-3]。在用電需求滿足之后，電源系統(tǒng)供電持續(xù)時間是緊接著考慮的問題。如果電源供電時間過短，電源電量消耗過快，仿真控制實驗就無法完整進行，所以需要選擇用電容量滿足要求的電源。其次，電源系統(tǒng)的集成性也是很必要的。將電源系統(tǒng)集成化，能節(jié)約開發(fā)時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。在最后，還應(yīng)認真考慮布局、接地回路等，以達到較高的電壓調(diào)整精度和低噪音，同時避免系統(tǒng)中電路之間的干擾、振蕩以及過熱等問題的出現(xiàn)[4-7]。本文介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。

1 需求分析

圖1和圖2分別是衛(wèi)星姿態(tài)控制仿真實驗系統(tǒng)硬件原理框圖和系統(tǒng)實物照片。系統(tǒng)工作原理是：首先使實驗轉(zhuǎn)臺懸浮。PC機通過無線網(wǎng)卡將控制實驗程序下載至DSP控制器，光纖陀螺作為角速度測量傳感器，負責采集轉(zhuǎn)臺角位移偏差數(shù)據(jù)，DSP將采集的轉(zhuǎn)角位移偏差數(shù)據(jù)，通過控制算法形成控制命令數(shù)據(jù)，由D/A通道輸出，從而驅(qū)動飛輪工作，使轉(zhuǎn)臺機動到設(shè)定角位置?？沙潆?路穩(wěn)壓電源為臺上用電設(shè)備提供直流電源。

圖1 衛(wèi)星姿態(tài)控制仿真系統(tǒng)原理框圖

圖2 飛行器仿真控制實驗轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)

衛(wèi)星姿態(tài)控制實驗臺臺上用電設(shè)備如表1所示。表1顯示了實驗臺上共有8個用電設(shè)備，分別是：DSP目標板和D/A芯片，他們是用來控制實驗臺的；光纖陀螺，它是用來測量實驗臺角速度的；電磁閥和反作用飛輪，他們是作為執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動實驗臺的；功率放大器，它是用來為電磁閥和飛輪提供功率驅(qū)動電壓的；DSP仿真器和路由器，他們是用來與臺下PC機建立無線數(shù)據(jù)通訊，進行實驗控制程序的下載。

表1 姿態(tài)控制實驗臺臺上設(shè)備用電統(tǒng)計表

從表1可以看出輸出電源路數(shù)是10路，輸出電壓的種類是6種，合計功率實測值約89 W。其中功率Pn′代表標稱值，功率Pn代表實測值。

2 可充電多路電源系統(tǒng)的電路設(shè)計

實驗臺上直流電源系統(tǒng)的作用就是將直流電源輸入總電壓變壓和穩(wěn)壓后按不同電壓種類分別分配給臺上8個用電設(shè)備使用，并提供穩(wěn)定的工作電壓和工作電流。

需要遵循以下幾條原則：

1)確定電源規(guī)格。包括確定電源功率，電源輸出路數(shù)以及電源尺寸。電源功率要留出足夠的余量。在系統(tǒng)設(shè)計時要認真進行器件選擇和工作電壓規(guī)劃，盡量減少工作電壓種類。從表1和表2 中可以看出，輸入電壓和輸出電壓要滿足實際需要，穩(wěn)壓模塊輸出電流和輸出功率的容量選擇要大于實際需要。

(2)使用標準模塊。設(shè)計系統(tǒng)時，應(yīng)盡可能使用市場上通用的電源模塊。這樣可縮短設(shè)計和開發(fā)的時間，提高可靠性，降低設(shè)計成本和產(chǎn)品成本。從表2中可以看出選擇的穩(wěn)壓模塊均是市場可以買到的。

圖3 實驗臺臺上電源系統(tǒng)設(shè)計原理圖

3)冷卻方法。設(shè)計系統(tǒng)時，必須認真考慮散熱問題。電路箱內(nèi)布局均勻安裝了5塊電路板，50 W以上的大功率穩(wěn)壓模塊和功率放大器均安裝了散熱片。

4)布局。安排好電源的位置，盡可能縮短輸入和輸出連線。系統(tǒng)中較長的AC饋線就像接收天線一樣，會增加EMI，而過長的輸出饋線會導致電壓調(diào)整精度降低，增加噪音。把表2中列出的穩(wěn)壓模塊及電壓表和電流表安裝集成在一個電路箱內(nèi)。

5)連接導線的尺寸。在選擇電源時，除了考慮輸出電壓、電流外，還應(yīng)重視負載連接導線的電阻。為減少連線電阻所造成的壓降，應(yīng)該盡可能縮短電源輸出端與負載間的距離，并且增大連接導線的截面積[8-12]。實際制作中把穩(wěn)壓模塊輸入電路和輸出電路均分別共地，導線選用多股銅導線，盡可能短的連接，并可滿足正常工作。

臺上直流電源系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。實驗臺臺上電源系統(tǒng)的電源是由4個12 V/7 AH的蓄電池串并聯(lián)后提供，總電源的電源電壓是24 V，總輸出容量是14 Ah。電源系統(tǒng)安裝了一塊電壓表和一塊電流表，用來監(jiān)測蓄電池總輸出電壓和電源系統(tǒng)的總工作電流。每個蓄電池電壓使用變得較低時需要由充電器充電。設(shè)置了一個電源開關(guān)管理整個直流電源系統(tǒng)供電開閉。

電源24 V經(jīng)過各穩(wěn)壓模塊后，共提供了8路直流電源輸出供給臺上設(shè)備使用。其中±15 V是給DSP控制器的D/A供電，+5 V/4A是給DSP控制器的目標板供電，±12 V是給執(zhí)行機構(gòu)反作用飛輪的功率放大器供電，+28 V是給執(zhí)行機構(gòu)反作用飛輪提供電源，±28 V是給執(zhí)行機構(gòu)噴氣系統(tǒng)的功率放大器供電，+5 V /2A是給DSP的仿真器和陀螺分別供電，+12 V/1.67A是給路由器供電。

3 DC-DC轉(zhuǎn)換模塊選型

在穩(wěn)壓電源模塊的設(shè)計和選擇中，根據(jù)圖2中各穩(wěn)壓模塊輸入電壓、輸出電壓與輸出電流，以及上述設(shè)計原則，對穩(wěn)壓模塊進行選型。所選穩(wěn)壓模塊型號和數(shù)量如表2所示。

要求的情況下盡可能短。

表2 穩(wěn)壓模塊型號選擇

表2是根據(jù)電源產(chǎn)品手冊進行選型的，穩(wěn)壓模塊輸入電壓范圍為18～36 V。經(jīng)計算得知，當每個蓄電池電壓下降至9 V以下時，穩(wěn)壓模塊將無法正常輸出。故當蓄電池電量低于9 V時，應(yīng)及時更換電池并充電，從而保證實驗的正常進行。

4 功率放大器設(shè)計及實現(xiàn)

功率放大器電路是指對執(zhí)行機構(gòu)的反作用飛輪和噴氣系統(tǒng)的電磁閥的驅(qū)動電路。圖4是用于驅(qū)動飛輪的功率放大器電路，在設(shè)計飛輪功放電路中，輸入電壓為0～2 V，輸出電壓為0～5 V。功放電源電壓為±12 V。功放電路采用反相放大電路，功率集成放大器采用型號為OPA548T，并安裝了散熱片。取R1=2 kΩ，R2=5.1 kΩ，放大系數(shù)K1=2.5。公式(1)為反相放大器電路的輸入信號和輸出信號的關(guān)系式。

(1)

圖4是用于驅(qū)動電磁閥的功率放大器電路。在設(shè)計電磁閥功放電路中，輸入電壓為±4 V，輸出電壓為±24 V。功放電源電壓為±28 V。功放電路采用同相放大電路，功率集成放大器采用型號為OPA548T，并安裝了散熱片。取R1=1 k，R2=5.1 k，放大系數(shù)K2=6.1。公式(2)為同相放大器電路的輸入信號和輸出信號的關(guān)系式。

(2)

圖4 飛輪功放電路圖

圖5 電磁閥功放電路圖

通過功放電路實驗驗證，執(zhí)行機構(gòu)飛輪和電磁閥系統(tǒng)均工作在功放線性區(qū)。

5 實驗數(shù)據(jù)及分析

多路直流電源系統(tǒng)經(jīng)實驗完成后，測量的電源輸出數(shù)據(jù)如表5所示。

通過表5可以看出，對電源系統(tǒng)帶上全部負載時電路輸出電壓實測值與其設(shè)計值對比，我們可以看到，實測值與設(shè)計值之間的誤差在允許范圍內(nèi)，平均誤差優(yōu)于0.1 V。電源系統(tǒng)的靜態(tài)使用時間T靜態(tài)為：

(3)

式中，Q為蓄電池組總能量，單位為焦耳，U為蓄電池組輸出電壓，單位為伏，C為蓄電池組電池容量，單位為安時。W為臺上用電設(shè)備靜態(tài)實測總功率，單位為瓦。由公式(3)，經(jīng)計算得：

在蓄電池完全充滿電的情況下，電源系統(tǒng)可以支持整個實驗控制仿真轉(zhuǎn)臺設(shè)備在靜態(tài)工作狀態(tài)下約10小時。動態(tài)狀態(tài)下，根據(jù)飛輪和噴氣系統(tǒng)的使用頻次，它的工作電流比靜態(tài)較大，因此，動態(tài)工作狀態(tài)下可連續(xù)使用達5小時左右，電源系統(tǒng)經(jīng)過一段使用時間后發(fā)現(xiàn)各項功能和性能滿足了仿真實驗需要。

表5 電源系統(tǒng)帶上全部負載時電路靜態(tài)輸出數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

設(shè)計和實現(xiàn)了飛行器姿態(tài)控制仿真轉(zhuǎn)臺電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)為8路的可充電直流電源，采用蓄電池作為充電電池，穩(wěn)壓電路采用DC-DC，分別采用了一塊電壓表和一塊電流表監(jiān)測電源系統(tǒng)的總電壓和總電流，設(shè)計和實現(xiàn)了飛輪和噴氣系統(tǒng)的功率放大器電路，經(jīng)實驗驗證，該電源系統(tǒng)的功率和電壓路數(shù)滿足了設(shè)計要求，誤差優(yōu)于0.1V，靜態(tài)下可提供約10小時的供電時間。該系統(tǒng)還具備集成性好，布局合理，抗干擾性好，穩(wěn)壓電源模塊具有抗短路保護及散熱性好等優(yōu)點。該項研究成果可應(yīng)用在航天器姿態(tài)仿真控制系統(tǒng)研制及其他相關(guān)的工程領(lǐng)域中。

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DesignofMulti-channelRechargeableDCPowerSupplySystemBasedonSatelliteSimulationPlatform

Gao Hua，Bai Ziyang

(School of astronautics,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

In order to meet the needs of ground simulation system for aerospace Engineering, we design and implement a multichannel DC regulated power supply. In this paper, we give the demand analysis of the electrical equipment on the experimental platform, provide the circuit design scheme and select the voltage regulator module. The power system uses a storage battery pack composed of 12 V7Ah batteries. The voltage regulator module uses DC-DC. And the power amplifier uses OPA548T.The experimental results show that our design is a great success. At last, we control the average value of 8-channel voltage output error within 0.1 Volts.The power system has a quiescent operating time of up to 10 hours and meets the development needs of design tasks.

DC power system; storage battery;DC-DC;OPA548T; attitude control system of semi physical simulation

2017-05-31；

2017-07-21。

高 樺(1958-),男,黑龍江哈爾濱人,副教授,主要從事飛行器導航智能測控與仿真技術(shù)方向研究。

1671-4598(2017)09-0311-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.079

V448.25+

B