開關(guān)電源拓?fù)湓陲w輪控制系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述*

徐敬勃，譚學(xué)謙，姜寧翔，吳 珍

(上海航天控制技術(shù)研究所 上海慣性工程技術(shù)研究中心·上?！?01109)

0 引 言

太陽(yáng)電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的航天器電源系統(tǒng)，在全世界已發(fā)射的至少4000種航天器中，其應(yīng)用占比達(dá)到90%以上。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，在光照區(qū)間，太陽(yáng)電池陣給負(fù)載供電，同時(shí)給蓄電池組充電;在陰影區(qū)間，蓄電池組提供負(fù)載功率。

隨著空間電源技術(shù)的發(fā)展，不同電源、不同功率調(diào)節(jié)方式下的電源母線電壓差異較大。國(guó)內(nèi)衛(wèi)星電源系統(tǒng)通用規(guī)范提出的電源母線電壓范圍為26～100V，對(duì)于大多數(shù)負(fù)載功率小于2k W的電源電壓，母線電壓一般為26～42V;對(duì)于負(fù)載功率大于2k W的電源系統(tǒng)，母線電壓一般大于50V[1]。在額定負(fù)載下，頻率小于10MHz時(shí)，電源母線電壓紋波峰峰值一般小于600m V。

1 飛輪電源系統(tǒng)現(xiàn)狀

飛輪及控制力矩陀螺作為衛(wèi)星姿控系統(tǒng)中的重要執(zhí)行部件，在機(jī)動(dòng)狀態(tài)下，其運(yùn)行功率往往達(dá)到100W甚至200W以上。由于其內(nèi)部電機(jī)的存在，偏置動(dòng)量輪在6000r/min高轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)母線端反電勢(shì)往往達(dá)到32V以上。對(duì)于低軌衛(wèi)星或是在衛(wèi)星處于陰影區(qū)間的非全調(diào)節(jié)模式下，衛(wèi)星電源系統(tǒng)提供給飛輪的母線電壓往往低于28V，此狀態(tài)下由于衛(wèi)星電源母線電壓低于飛輪內(nèi)部電機(jī)反電勢(shì)，造成飛輪高轉(zhuǎn)速下力矩?zé)o法足額輸出，甚至無法加速到偏置轉(zhuǎn)速，其應(yīng)用受到了極大的限制。

以往的飛輪為了克服衛(wèi)星電源母線電壓過低而無法工作的問題，解決方法是減小電機(jī)力矩系數(shù)，使其普遍低于0.04(N·m)/A;同時(shí)增大飛輪電機(jī)電流，使得電機(jī)電流大于2.5A，以此實(shí)現(xiàn)飛輪高轉(zhuǎn)速下達(dá)到額定輸出力矩的目的。但是由于飛輪摩擦損耗力矩與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，無法避免高轉(zhuǎn)速下輸出力矩的衰減，而過高的電機(jī)電流對(duì)控制電路中晶體管的性能提出了極高的要求。飛輪在高轉(zhuǎn)速制動(dòng)下產(chǎn)生的大量熱耗將降低功率器件的使用壽命。

目前，國(guó)內(nèi)外各廠家生產(chǎn)的偏置動(dòng)量輪多數(shù)采用半橋驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)的控制形式[2-4]，通過調(diào)整電機(jī)母線電壓對(duì)飛輪內(nèi)部電機(jī)各繞組上的電機(jī)電流進(jìn)行閉環(huán)控制，電機(jī)母線輸出端電壓則直接來自于衛(wèi)星電源系統(tǒng)的輸出電壓，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。反作用飛輪多數(shù)采用全橋驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)的控制形式，其電機(jī)電流控制方式可通過調(diào)整電機(jī)母線電壓的形式實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，也可通過將PWM波直接加載到各換相MOS管上實(shí)現(xiàn)，其本質(zhì)上仍相當(dāng)于對(duì)電機(jī)母線電壓進(jìn)行調(diào)整。

圖1 半橋驅(qū)動(dòng)的飛輪電機(jī)母線控制方式Fig.1 Control mode of half-bridge driving in flywheel motor line

圖2 全橋驅(qū)動(dòng)的飛輪電機(jī)母線控制方式Fig.2 Control mode of full-bridge driving in flywheel motor line

圖1及圖2中的飛輪電機(jī)母線電壓調(diào)整方式實(shí)際為開關(guān)電源中的Buck拓?fù)?，以衛(wèi)星電源系統(tǒng)的輸出電壓為輸入U(xiǎn)in，以電機(jī)電流控制環(huán)路中串接的采樣電阻Rs上的電流信號(hào)作為反饋。通過運(yùn)算處理，產(chǎn)生占空比變化的PWM信號(hào)控制開關(guān)管VT1的通斷，進(jìn)而調(diào)整輸出電壓U0的大小，使其能夠跟蹤電機(jī)反電勢(shì)的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電流的閉環(huán)控制。

輸出電壓U0=D×Uin，其中，D為PWM波的占空比，Uin為衛(wèi)星電源系統(tǒng)的輸出電壓，也就是飛輪的一次電源輸入電壓。

由于D＜1，因此Buck拓?fù)涫且粋€(gè)降壓調(diào)整器，U0＜Uin。

當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到6000r/min甚至更高轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)反電勢(shì)ea、eb、ec往往會(huì)達(dá)到32V以上，此時(shí)對(duì)于衛(wèi)星電源低于32V的低軌衛(wèi)星，星上一次電源電壓已經(jīng)無法滿足飛輪的使用需求。

2 非隔離型拓?fù)涞膽?yīng)用

為解決衛(wèi)星電源電壓過低及Buck拓?fù)渲荒芙祲簾o法升壓的問題，考慮在飛輪電機(jī)母線調(diào)整模塊中引入升壓環(huán)節(jié)。

常見的非隔離型升壓拓?fù)浒˙oost拓?fù)?、Buck/Boost拓?fù)?、Boost-Buck拓?fù)?(Cuk拓?fù)?[4-5]、Zita拓?fù)?、Sepic拓?fù)鋄6]，也可將Boost拓?fù)浜虰uck拓?fù)渲苯蛹?jí)聯(lián)，先對(duì)電機(jī)母線電壓進(jìn)行升壓，再引入電機(jī)電流閉環(huán)，對(duì)調(diào)整后的母線電壓進(jìn)行Buck調(diào)節(jié)。

Boost變換器屬于升壓變換器，其輸出電壓高于輸入電壓。飛輪在運(yùn)行時(shí)，存在加速、穩(wěn)速、制動(dòng)等工況，在加速過程中，飛輪電機(jī)反電勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，由0升到最高反電勢(shì)，這也要求飛輪電機(jī)母線電源調(diào)整模塊的輸出電壓具有由0逐漸增大的調(diào)整功能。因此，無法直接使用Boost拓?fù)?，往往采用與Buck拓?fù)浠蚱渌負(fù)浼?jí)聯(lián)的形式。Zita拓?fù)浜蚐epic拓?fù)漭^為復(fù)雜，且實(shí)際應(yīng)用很少，這里對(duì)其不做討論。

2.1 Boost拓?fù)渑cBuck拓?fù)浼?jí)聯(lián)

Boost拓?fù)渚哂猩龎汗δ?，適用于對(duì)衛(wèi)星電源系統(tǒng)輸出的一次電源電壓進(jìn)行升壓，設(shè)定將22～42V的輸入電壓升壓至45V，供后級(jí)Buck拓?fù)涫褂谩uck拓?fù)渚哂薪祲汗δ?，通過電機(jī)電流環(huán)路中的采樣電阻上的電機(jī)電流信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行PWM閉環(huán)控制，跟蹤電機(jī)反電勢(shì)的變化，使得飛輪能夠在一個(gè)固定的電機(jī)電流閉環(huán)控制下，輸出相應(yīng)的飛輪力矩。僅以飛輪半橋驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 Boost和Buck級(jí)聯(lián)的飛輪半橋驅(qū)動(dòng)控制方式Fig.3 Control mode of half-bridge driving in flywheel with boost and Buck cascaded Boost

該拓?fù)湟訰f1、Rf2間的分壓Vf作為電壓反饋信號(hào)發(fā)送給PWM控制環(huán)節(jié)，控制PWM1的占空比，將22～42V范圍內(nèi)的一次電源輸入電壓Ui升壓至45V的輸出電壓U01。在電感L1電流連續(xù)的情況下，輸出電壓U01為

其中，D1為Boost變換器中PWM1信號(hào)的占空比。

Buck拓?fù)湟圆蓸与娮鑂s上的電流信號(hào)作為反饋信號(hào)發(fā)送給PWM控制環(huán)節(jié)，控制PWM2的占空比，對(duì)45V的U01信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使得輸出電壓U02跟蹤飛輪電機(jī)反電勢(shì)的變化，進(jìn)而維持飛輪在特定力矩指令下的加速運(yùn)行。

輸出電壓U02為

其中，D2為Buck變換器中PWM2信號(hào)的占空比。

輸出電壓紋波ΔU0為[5]

通過增加濾波電感、開關(guān)頻率及濾波電容，可以降低輸出電壓的紋波。

Boost、Buck拓?fù)渲苯蛹?jí)聯(lián)的控制形式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩種拓?fù)渲苯蛹?jí)聯(lián)，分別控制，由于不需要隔離，能量轉(zhuǎn)換效率很容易達(dá)到90%以上。缺點(diǎn)是:母線上的2個(gè)開關(guān)管VT1、VT2分別采用2路不同的PWM控制，需要2個(gè)控制芯片，為了改善系統(tǒng)EMI特性，減少拍頻干擾，簡(jiǎn)化飛輪輸入濾波電路，2路PWM波最好設(shè)置為同步;后級(jí)需要2個(gè)儲(chǔ)能電感L1、L2，2個(gè)續(xù)流二極管D1、D2，2個(gè)濾波電容C1、C2，所需器件體積均比較大，采用PCB布板時(shí)，占用面積較大。

2.2 Buck/Boost拓?fù)?/h3>

Buck/Boost拓?fù)?，?shí)際上是一種非隔離型反激變換器，其存在反極性輸出和正極性輸出兩種結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

圖4 反極性輸出Buck/Boost拓?fù)涞娘w輪半橋驅(qū)動(dòng)控制Fig.4 Control mode of half-bridge in flywheel with Buck/Boost on inverse polarity

在電感電流連續(xù)時(shí)，Buck/Boost變換器的輸出電壓U0為

其中，D為Buck/Boost拓?fù)渲蠵WM1和PWM2信號(hào)的占空比。

通過增加濾波電感、開關(guān)頻率及濾波電容，可以降低輸出電壓的紋波。

以電機(jī)電流環(huán)路中采樣電阻Rs上測(cè)得的電機(jī)電流信號(hào)作為閉環(huán)反饋信號(hào)，對(duì)開關(guān)管VT1、VT2進(jìn)行PWM控制，使得輸出電壓U0跟蹤飛輪電機(jī)反電勢(shì)的變化，進(jìn)而維持飛輪在特定力矩指令下的加速運(yùn)行。

整流二極管D1、D2可采用同步整流，進(jìn)一步提高電源功率轉(zhuǎn)換效率。

正極性的Buck/Boost拓?fù)渑c反極性的Buck/Boost拓?fù)湎啾?，雖然增加了一個(gè)開關(guān)管VT2和一個(gè)整流二極管D2，但可保證飛輪母線端電壓與輸入電壓的同極性，降低了反向電壓對(duì)器件的沖擊，同時(shí)開關(guān)管VT1、VT2及整流二極管D1、D2上承受的峰值電壓更小，有利于提高開關(guān)管的可靠性。

Buck/Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅可以解決飛輪一次電源電壓不足的問題，還可以在抑制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面[7-9]及飛輪儲(chǔ)能方面[10]得到應(yīng)用;但其缺點(diǎn)是輸入電流和輸出電流脈動(dòng)值較大，這對(duì)后級(jí)飛輪電機(jī)電流的閉環(huán)控制提出了較高的閉環(huán)精度及響應(yīng)速度的要求。

圖5所示的正極性輸出Buck/Boost拓?fù)渲校_關(guān)管VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)截止，PWM1和PWM2的占空比均為D。

輸出電壓U0根據(jù)占空比的大小，可大于輸入電壓Ui，也可小于輸入電壓Ui，因此，其對(duì)一次電源電壓的變化適用范圍更寬。

輸出電壓紋波ΔU0為[5]

2.3 Cuk拓?fù)?/h3>

其中，D為Cuk拓?fù)渲蠵WM信號(hào)的占空比。

輸出電壓U0根據(jù)占空比的大小，可大于輸入電壓Ui，也可小于輸入電壓Ui，因此，該拓?fù)渫瑯舆m用于一次電源電壓較低或變化范圍較大的飛輪應(yīng)用場(chǎng)合。

輸出電壓紋波ΔU0為[5]

Cuk變換器又叫Boost-Buck串聯(lián)變換器，其同樣具有升壓、降壓功能，且輸出電壓與輸入電壓的極性相反，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

在電感電流連續(xù)時(shí)，輸出電壓U0為

圖6 反極性輸出Cuk拓?fù)涞娘w輪半橋驅(qū)動(dòng)控制方式Fig.6 Control mode of half-bridge driving in flywheel with Cuk on inverse polarity

通過增加濾波電感、開關(guān)頻率及濾波電容，可以降低輸出電壓的紋波。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了減小開關(guān)管的開關(guān)損耗，開關(guān)頻率fs不可能太大，一般fs＜100k Hz，往往通過增大電感量及增加電容量的方法減小輸出電壓紋波。將輸入儲(chǔ)能電感L1和輸出儲(chǔ)能電感L2繞制在同一個(gè)磁芯上，使其具有耦合效應(yīng)，同時(shí)使得各自的等效電感量增大，可以使得輸出電壓的紋波變得更小，同時(shí)由于只用了一個(gè)磁芯，電感的體積也更小，有利于產(chǎn)品的小型化。輸出電壓紋波的減小，有利于后級(jí)飛輪電機(jī)電流控制回路的精確閉環(huán)控制。

Cuk拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是輸入及輸出電流的脈動(dòng)均較小，缺點(diǎn)是實(shí)際應(yīng)用時(shí)參數(shù)設(shè)置較為復(fù)雜。

Cuk拓?fù)湓跓o刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[11]、空調(diào)電機(jī)控制[12-13]方面已經(jīng)有了實(shí)際應(yīng)用案例。

3 隔離型拓?fù)涞膽?yīng)用

對(duì)于一些高軌衛(wèi)星，要求其各系統(tǒng)單機(jī)內(nèi)部一次電源及二次電源應(yīng)物理隔離，隔離阻抗一般要求大于1MΩ。國(guó)外的電源模塊廠商如IR公司、Interpoint公司、VPT公司、Alcatel公司，國(guó)內(nèi)的中電43所、771所均有相應(yīng)的DC-DC模塊，且大多數(shù)內(nèi)部一次地、二次地均采用磁耦或光耦隔離的方案，但這些電源模塊大多數(shù)功率較小，且均不具備大功率升壓功能。針對(duì)飛輪對(duì)大功率升壓模塊的特殊應(yīng)用需求，具備磁隔離方案的升壓技術(shù)也越來越受到關(guān)注。

隔離型拓?fù)渲饕ㄕな酵負(fù)?(單端、雙端)、反激式拓?fù)?、推挽拓?fù)?、半橋拓?fù)?、全橋拓?fù)鋄4]以及更復(fù)雜的半橋諧振拓?fù)洹LC諧振拓?fù)鋄5]等，在這里限于篇幅原因不做具體介紹，僅對(duì)應(yīng)用思路做一定介紹。

隔離型拓?fù)浠旧鲜菑姆歉綦x型拓?fù)渲械腂uck、Boost、Buck-Boost拓?fù)溲莼鴣恚虼?，其在飛輪控制系統(tǒng)中的應(yīng)用與上述的非隔離型拓?fù)涞膽?yīng)用類似。由于采用了隔離型變壓器，其輸入、輸出實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，反饋信號(hào)通過磁耦或光耦的方案實(shí)現(xiàn)。

由于隔離型變換器的初級(jí)、次級(jí)隔離，因而可將電路中為各芯片供電的小功率DC-DC變壓器集成到次級(jí)中，實(shí)現(xiàn)變換器次級(jí)的多路輸出，由此有效地減小了產(chǎn)品體積。

在實(shí)際使用時(shí)，可將隔離型變換器直接串接在飛輪電機(jī)母線前端，以飛輪電流回路中采樣電阻Rs上的電流信號(hào)作為反饋，并對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器的閉環(huán)控制。也可在飛輪電路中通用的Buck調(diào)整器前端串接隔離變換器，結(jié)合Buck調(diào)整器的快速響應(yīng)特性及隔離型變換器的升壓及多路輸出特性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制電路的優(yōu)化。

隔離型變換器在飛輪控制系統(tǒng)中的應(yīng)用思路如圖7和圖8所示。

圖7 隔離型變換器直接控制方式Fig.7 Straight control mode of isolated converter

在隔離型變換器直接控制方式下，以飛輪電機(jī)電流回路中的采樣電阻Rs上的電流反饋信號(hào)If作為反饋控制信號(hào)，為使輸出空載電壓不至于太高，以輸出電壓采樣信號(hào)Vf作為輸出限幅反饋信號(hào)，對(duì)隔離變換器初級(jí)進(jìn)行PWM控制，達(dá)到對(duì)飛輪電機(jī)電流進(jìn)行閉環(huán)控制的目的。

圖8 隔離型變換器級(jí)聯(lián)Buck變換器的控制方式Fig.8 Control mode of isolated converter cascade Buck converter

在隔離型變換器級(jí)聯(lián)Buck變換器的控制方式下，隔離變換器以輸出電壓U01的采樣信號(hào)Vf作為反饋信號(hào)對(duì)隔離變換器初級(jí)進(jìn)行PWM控制，隔離變換器處于電壓閉環(huán)、電流開環(huán)的工作方式下，U01恒定輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓給后級(jí)飛輪控制電路，同時(shí)隔離變換器可實(shí)現(xiàn)多路輸出，將±12V二次電源集成到一個(gè)變換器中。后級(jí)串聯(lián)Buck變換器，以飛輪電機(jī)電流回路中的采樣電阻Rs上的電流反饋信號(hào)If作為反饋控制信號(hào)，達(dá)到對(duì)飛輪電機(jī)電流進(jìn)行閉環(huán)控制的目的。

隔離型變換器的輸出電壓及電流特性[6]如下所示:

(1)正激變換器 (Forward Converter)

輸出電壓特性

脈動(dòng)電流特性

(2)反激變換器 (Flyback Converter)

輸出電壓特性

脈動(dòng)電流特性

(3)推挽變換器 (Push-Pull Converter)

輸出電壓特性

脈動(dòng)電流特性

(4)半橋變換器 (Half-Bridge Converter)

輸出電壓特性

脈動(dòng)電流特性

(5)全橋變換器 (Full-Bridge Converter)

輸出電壓特性

脈動(dòng)電流特性

式 (8)～式 (17)中，Lf為濾波電感值，Ns為二次匝數(shù)，Np為一次匝數(shù)，Lp為一次繞組電感值，D為PWM信號(hào)的占空比，Ts為開關(guān)周期。

通過式 (8)～式 (17)可以看出，在設(shè)定隔離變換器匝比Ns/Np的情況下，減小開關(guān)周期Ts或增大濾波電感Lf或Lp的值，都可以達(dá)到減小電流脈動(dòng)的目的，但電感值太大會(huì)造成飛輪閉環(huán)控制響應(yīng)變慢;為了提高變換器的轉(zhuǎn)換效率，往往希望開關(guān)周期Ts越大越好，這又與減小電流脈動(dòng)的目的相違背，開關(guān)周期Ts一般設(shè)定在100 k Hz以內(nèi)。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，各參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體負(fù)載特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著控制理論的發(fā)展、材料及工藝的不斷進(jìn)步，適用于飛輪控制系統(tǒng)的變換器模塊發(fā)展越來越成熟，也為飛輪等空間執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了更多的選擇。本文提出的幾種非隔離型及隔離型的開關(guān)電源拓?fù)渚懈髯缘膬?yōu)缺點(diǎn)，為未來飛輪控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了實(shí)際性的應(yīng)用思路。