離子電推進系統電源處理單元的數字化設計

信志平,谷志茹,王超,蔣遠大,胡久松

1.湖南工業大學 軌道交通學院,株洲 412007 2.中國科學院國家空間科學中心,北京 100190

1 引言

近年來,隨著微電子技術的發展,高功率太陽能電池的出現,微小衛星迅速發展。微小衛星具備研制周期短迭代周期快、單顆衛星成本低、發射方式靈活、可靠等突出優點,被廣泛應用于全球民用通信、遙感氣象、地球科學、空間科學、行星探測、技術驗證等領域[1]。商業航天小衛星要求空間推進系統具備成本低、質量小、體積小的特點,以提高市場競爭力[2]。電推進技術是利用電力能源加熱或電離氣體工質加速噴射,產生推力。與傳統化學推進相比,具有高比沖、長時間工作等特點[3],可以降低航天器系統質量,提高有效載荷[4-5]。小功率電推進系統具有廣闊的商業前景。蘭州空間物理研究所研制的LIPS-200離子電推進系統在亞太6D衛星(APSTAR)商業衛星上的使用,為國內電推進商業化應用打下堅實基礎[6]。

電源處理單元是電推進系統的關鍵單機之一,核心功能是將航天器一次供電轉換為推力器工作所需的各模塊電源,其技術發展對電推進技術的可靠應用具有重要影響[7]。傳統模擬控制方式的電源使用比較器、誤差放大器等元器件來實現電源輸出電壓的調節,且電路設計相對復雜。目前數字化電源已成為電推進系統中一個新的發展趨勢。國內外電源處理單元均采用模塊化設計方式,通過DSP或FPGA等微處理器設計數字控制和接口單元實現數字化設計[8-10]。蘭州空間技術物理研究所研制的LIP-200離子推力器提出將電源處理和控制單元設計為一體化,集成系統供電、遙測、控制所有功能,簡化設計復雜性及線纜數量[11]。

在離子電推進系統中,屏柵電源是電源處理單元的核心,對于屏柵電源設計,主要有單級和兩級變換兩種設計方案,單級變換有移相全橋和全橋LLC,兩級變換有BUCK與全橋電路,以及BOOST與全橋電路[12]。本文主要是對加熱電源和屏柵電源做數字化設計,加熱電源是推力器工作的首要前提,屏柵電源作為離子電推進電源處理單元的高壓電源部分,需要具備高精度、高穩定度的輸出電壓,是設計的重點和難點,數字化屏柵電源能夠滿足高精度調節的需求,簡化整體設計復雜度。設計采用STM32微處理器作為核心的數字化電源,與FPGA、DSP為核心的設計方案相比,可以減少控制板的硬件資源,降低設計難度和成本。

2 離子電推進系統設計簡介

離子電推進系統主要由控制單元、電源處理單元、推進劑供給單元、推力器及接口部分組成[13-14]。電源處理單元是一個復雜的供電設備,由供電單元和控制單元等組成。其功能主要是為電推進系統工作提供所需的各種電壓和電流,同時具有遙測、控制及故障監測等功能,是電推進系統穩定、可靠工作的基礎[15-16]。電源處理單元主要包括9個不同功能的電源。分別是放電室中的陽極電源、主陰極加熱電源、觸持電源和點火電源,中和器中的加熱電源、觸持電源和點火電源,柵極組件中的屏柵電源和加速電源[17]。

本文主要針對商業航天小衛星電推進系統的需求,設計小功率離子電推進系統,包括推力器結構、加熱電源1、加熱電源2和屏柵電源的數字化設計。通過地面測試,驗證3個電源的可行性。系統由推力器本體,3個數字化電源,控制單元,測溫單元以及通信部分等組成。系統結構示意如圖1所示。

圖1 系統結構示意

離子電推進控制單元通過CAN總線接口與電源處理單元進行通信。加熱電源1、加熱電源2和屏柵電源主要技術指標如下:

1)輸入電壓12V;

2)加熱電源1輸出范圍0～2V,輸出電流范圍0～7.5A;

3)加熱電源2輸出范圍0～2V,輸出電流范圍0～7.5A;

4)屏柵電源輸出范圍0～1200V,輸出電流范圍0～20mA;

5)控制精度±2%～4%。

3 離子電推進系統數字化電源設計

3.1 電源處理單元設計

電源處理單元設計包括兩種不同功能的電源,分別是加熱電源1、加熱電源2和屏柵電源。加熱電源是對推力器空心陰極加熱絲加熱,使推力器具備點火條件。屏柵電源輸出電壓達到了1000V左右,功率輸出占據電推進系統的大半部分,因此這兩種功能的電源都是電源處理單元中的重要部分。

傳統電源的設計需要使用大量元器件,占板面積較大,同時對系統穩定性等能力會造成一定的影響,內部電路針對特定負載進行設計,而數字化電源采用模塊化設計方式,集成度較高,減少了元器件的使用,系統復雜度相對簡單,各模塊電源的輸出可以靈活控制,具有很強的適應性和靈活性,能夠滿足實際的控制需求。數字化控制技術具有高精度、高穩定等特點,非常適合電推進系統電源處理單元的設計,電源處理單元使用數字化技術是最好的設計方案。

設計的電源組件由3個電源轉換器電路組成,包括1路0～1200V輸出,2路0～2V輸出模塊。主要采用BUCK方案將供電直流電壓,經過高頻變壓器輸出后再整流濾波輸出直流加熱電壓。再經過全橋電路變換為屏柵高壓電壓。

工作原理如下:

1)輸入直流電壓經濾波后供給后級變換電路。該濾波電路有較大的扼流電感,可以有效抑制變換器的浪涌電流。對變換器的EMC干擾也可以有效抑制。

2)信號采樣電路將溫度、電流和電壓信號傳送到控制區,經控制區的信號處理電路轉換成模擬芯片可以適配的電壓信號;根據電壓,電流反饋量,模擬芯片進行模塊內部的綜合處理,得到穩定的輸出電壓;并通過外圍電路對整個模塊的各種功能進行綜合管理與執行;采樣得到的電壓,電流信號經過運算放大器上報給系統。

加熱電源原理設計功能框圖如圖2所示。屏柵電源原理設計功能框圖如圖3所示。

圖2 加熱電源原理設計功能框圖

圖3 屏柵電源原理設計功能框圖

3.2 數字控制單元設計

電源處理單元中各路電源的工作狀態與電推進系統的工作性能直接相關,因此需要得到每個電源的輸出電壓和輸出電流遙測值[18],進而得到推力器在軌工作性能[19]。控制電路主要完成數據采集,通信,電源輸出控制和調節以及監測處理功能。控制電路內部電壓、電流輸出遙測值,用以判斷電源工作狀態是否正常。

控制電路內部的STM32微處理器通過CAN總線接收外部指令,控制12位D/A模塊的電壓輸出,D/A模塊的輸出信號作為電源模塊的輸出控制信號,通過控制D/A模塊輸出電壓的大小來實現電源模塊輸出電壓的控制和調節。

STM32微處理器主要負責實現CAN總線通信功能,接收衛星平臺/地檢設備遙測指令,控制電源及數據遙測工作,同時傳輸到衛星平臺/地檢設備。控制單元框圖如圖4所示。

圖4 控制單元框圖

為了減小控制板的體積,降低系統控制復雜度及成本。控制電路采用STM32F373RCT6最小系統。STM32F373RCT6微處理器具備256字節Flash和32字節SRAM,1個快速12位ADC和3通道16位Sigma-Delta ADC,3個12位DAC輸出以及CAN總線通信接口。采用P型MOS管控制電源模塊開關機,數模轉換電路實現電源輸出調控。系統使用3.3V供電,減少5V電源芯片的使用。溫度采集部分,使用AD7124-4TRUZ-EP內部緩存、PGA緩沖和放大,電壓信號使用MCU自帶ADC模塊直接采集。所設計的控制電路方案足以滿足控制功能的需求。數字控制單元硬件設計框圖如圖5所示。

圖5 控制單元硬件設計框圖

軟件部分,主要負責各路傳感器數據遙測采集,電源模塊輸出控制,遙測指令應答以及指令功能執行。數字控制單元軟件流程如圖6所示。

圖6 控制單元軟件流程

微處理器STM32F373RCT6能夠實現多任務同時進行,包括數據采集、遙測指令接收等。設計了上電復位和看門狗復位,實時監測系統工作狀態。控制單元調試軟件采用USB-CAN總線分析儀上位機軟件,主要調控電源處理單元中各電源模塊功能,調節各電源電壓輸出參數,反饋系統工作狀態,來完成電源處理單元的工作任務。

4 系統測試及結果

系統中設計了3個數字化電源包括加熱電源1、加熱電源2和屏柵電源。離子電推進電源處理單元的電壓調節功能測試采用模擬負載電阻,由CAN總線分析調試軟件向電推進控制單元發送電壓調節控制指令進行測試,加熱電源1和加熱電源2分別接模擬負載0.27Ω電阻,屏柵電源分別是空載,接模擬負載電阻80kΩ、100kΩ、120kΩ和140kΩ,同時對設計方案可行性和關鍵指標進行驗證。

1)加熱電源1測試。對加熱電源1發送輸出控制指令,使加熱電源1分別輸出0.4V,0.8V,1.2V,每檔電壓值保持5min。設定電壓后,讀取該檔的電壓和電流實際參數,確認參數正常。記錄的加熱電源1測試曲線如圖7所示。

圖7 加熱電源1測試數據

2)加熱電源2測試。對加熱電源2發送輸出控制指令,使加熱電源2分別輸出0.4V,0.8V,1.2V,每檔電壓值保持5min。設定電壓后,讀取該檔的電壓和電流實際參數,確認參數正常。記錄的加熱電源2測試曲線如圖8所示。

圖8 加熱電源2測試數據

3)屏柵電源測試。對屏柵電源發送輸出控制指令,空載情況下,具體設定電壓值見表1,每檔電壓值保持5min。設定電壓后,讀取該檔的電壓和電流實際參數,確認參數正常。記錄的屏柵電源空載測試曲線如圖9所示。帶負載情況下,對屏柵電源發送輸出設定指令,設定輸出電壓值為1100V,屏柵電源分別接模擬負載電阻80kΩ、100kΩ、120kΩ和140kΩ,每個負載測試保持5min。記錄的屏柵電源帶負載測試曲線如圖10所示,屏柵電源控制精度測試結果見表1。

表1 帶負載情況下屏柵電源控制偏差測試結果

圖9 屏柵電源空載測試數據

圖10 屏柵電源帶負載測試數據

4)溫度測試。系統工作之前,首先要加熱發射體,由加熱電源為加熱絲供電,在需要加熱時打開電源,加熱達到要求溫度時關斷電源[20]。測試時加熱電源1以0.02V增量從零上升至1.2V,加熱電源2以0.02V增量從零上升至1.2V,屏柵電源以10V增量從零上升至600V后,系統長時間運行使其溫度上升至預期值60℃并關斷電源,等待系統恢復至本體溫度。記錄溫度變化過程如圖11所示。

圖11 系統上升到預期溫度值后關機降溫過程

從表1的測試結果來看,不同負載情況下屏柵電源的控制精度滿足控制所需。實驗測試遙測采集3個數字化電源測試點的數據,得到3個電源的控制精度以及加熱電源的效率。測試數據見表2。測試表明:加熱電源1和加熱電源2效率可達93.5%和96.3%,3個電源的控制精度均小于3%。

表2 電源處理單元(PPU)3個電源地面測試數據

設計的加熱電源1、加熱電源2和屏柵電源輸出參數調節符合設計方案預期,加熱電源1、加熱電源2控制精度滿足實際需求,屏柵電源控制精度相比于加熱電源模塊略有不足,但基本滿足實際需求。3個數字化電源,可以根據實際需要靈活調整電源的輸出電壓,實現了電源電壓的寬范圍調節。

5 結論

本文針對離子電推進電源處理單元加熱電源1、加熱電源2和屏柵電源進行數字化設計,采用STM-32微處理器為核心作為設計方案,數字化設計的電源處理單元能夠減小控制板的體積,簡化設計流程。實驗結果表明,3個電源的數字化設計,能夠滿足商業航天小衛星電推進系統的需求。可以為小衛星電推進系統設計提供借鑒和幫助。對電源處理單元小數目的功能電源做數字化設計,STM32微處理器的設計方案能夠滿足需求,但離子電推進電源處理單元功能電源數量遠不止于此,單個微處理器的設計方案不能滿足復雜的電源需求,后續的設計工作可以考慮多個微處理器分布式設計方式,對離子電推進數字化電源處理單元進行設計。