基于Saber仿真的卫星电源电路分析与优化研究

摘要

针对航天卫星在太空轨道上运行与执行任务时所处环境较为恶劣，卫星电源控制器(PCU，Power Condition Unit)必须具备高可靠性、稳定性、高寿命等要求，本文提出基于Saber电路进行对电源控制电路中分流模块进行参数控制设计与对放电控制电路实施稳健设计。通过对电路的搭建与分析、建模与电路控制优化，实现了拥有高性能、高动态响应以及稳健的可靠性的控制电路，并针对某些结构试验分析，验证了卫星电源电路的可靠性。
　　一方面，对两种架构分流与充电部分进行电路分析与仿真优化。首先，通过对比分析配置方案，选取42V母线电压对输出母线进行全域调节。其次，对顺序开关分流调节(Sequential Switching Shunt Regulator，S3R)、串联顺序开关分流调节器(Sequential Switching Shunt Series Regulator,S4R)电路原理分析以及电流搭建，尤其是对S3R架构的参数确定法进行优化设计，通过Saber仿真验证了优化后的母线电压能保持在42±0.5V，BCR模块能在输入电压为41～43V范围内时候，输出电压保持在35±0.3V的恒压充电。最后，对S4R进行原理分析与充电探究，为将来S4R的研究提供研究方向与研究意义。
　　另一方面，对共有的放电调节(Battery Discharge Regulator，BDR)进行稳健设计与优化仿真。第一，通过对常见卫星电源升压主拓补电路进行对比，采用高效率的HE-Boost主拓补结构用于卫星控制器的放电模块;第二，鉴于国内外对该主拓补结构的研究较少，本文从设计角度出发，主要针对该模块进行电路的搭建、小信号建模分析;第三，通对电路进行稳健设计，实现对单个模块电路进行控制设计;第四，借助Saber软件，对电路进行参数扫描、灵敏度分析参数的微调与优化，以及蒙特卡洛法分析达到可靠性的验证;第五，对三模块并联的放电调节电路进行故障模拟仿真分析，验证了即使在某些特殊情况下导卫星出现故障，依旧具有高可靠性以及稳定母线输出电压。
　　最后，为验证本论中关于S3R中部分PCU的部分模块的电路稳定性，以及分析与优化后的电路的工作状态，搭建了、试验模块并进行测试。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题研究目的及意义

1．2 国内外研究现状以及未来发展趋势

1．2．1 国内外卫星研究现状

1．2．2 国内外电源控制调节器研究

1．2．3 国内外卫星电源控制结构发展方向

1．2．4 Saber仿真与相关试验现状

1．2．5 卫星电源控制系统拓补架构研究现状

1．2．6 BCR研究现状

1．2．7 BDR研究现状

1．3 本论文主要研究内容

第二章 卫星控制系统基本原理

2．1 太阳能电池阵列分析

2．1．1 太阳能电池的对比分析

2．1．2 太阳能电池原理分析

2．2 蓄电池对比分析

2．2．1 蓄电池对比分析

2．2．2 蓄电池原理分析

2．3 电源系统配置分析

2．3．1 DET分析

2．3．2 PPT分析

2．4 本章小结

第三章 两种架构优化分析与仿真

3．1 S3R架构的研究分析

3．1．1 控制器分析

3．1．2 S3R原理

3．1．3 MEA分析

3．2 SR分流调节模块优化设计与仿真分析

3．2．1 单级SR电路工作原理

3．2．2 SR控制参数的优化设计与仿真

3．3 BCR原理分析与仿真分析

3．4 S4R基本原理介绍及探究

3．4．1 S3R与S4R对比分析

3．4．2 MEA的工作原理

3．4．3 S4R工作模式分析

3．5 单个SR电路的研究与仿真

3．6 本章小结

第四章 BDR仿真分析与可靠性研究

4．1 BDR主拓补结构对比

4．2 HE-Boost拓补结构分析及建模

4．3 控制设计及分析

4．4 仿真分析

4．4．1 标称值与灵敏度分析

4．4．2 最坏情况与应力分析

4．4．3 故障检测

4．5 本章小结

第五章 试验及结果分析

5．1 测试分析原理

5．1．1 频谱分析仪意义

5．1．2 频谱分析仪分析原理

5．1．3 卫星PCU的分析原理

5．2 测试内容

5．2．1 MEA模块测试

5．2．2 单个SR分流单元测试

5．2．3 单个BDR单元测试

5．3 本章总结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢