文摘
电力系统(EPS)和姿态控制系统(ACS)是任何卫星的基本组件。EPS和ACS效率和密实度大卫星的正确操作和性能的整个生命的使命。实现每股收益的重要性和ACS子系统对于任何卫星,他们一直在吸收和发展以模块化的形式关注效率和密实度。每股收益是由三个模块称为太阳能电池板模块(SPM),功率调节模块(PCM),和配电模块(PDM)而ACS嵌入式magnetorquer线圈。密实度和小型化的目的,magnetorquer线圈嵌入SPM。组件使用商用现货(COTS)组件强调功率效率,小尺寸,重量。封闭保护系统设计和分析了cmos的COTS组件,以使其适合空间辐射环境。主要的设计特点是模块化、冗余功率效率,避免单一组件失败。每股收益和ACS的模块化发展有助于重用它们未来的任务,因此,总体预算,开发和测试时间和降低成本。一个特定卫星任务可以通过组装所需的子系统。
1。介绍
世界各地的许多大学正在研究各种小卫星项目(1- - - - - -6]。这些卫星分为不同类别的基础上,他们的质量和尺寸,即。、皮科、纳米和微。小卫星的发展的主要驱动力是他们低预算的要求,发展时间短,低质量和大小,新技术,因为他们提供更具成本效益和可靠的进入太空7]。小卫星设计的低地球轨道(LEO);因此,启动成本也相对较低。小卫星能提供理想的实验创新技术(例如,硬件和软件),可以进一步用于大型和昂贵的太空任务。大学卫星项目教导学生整个生命周期的卫星实际情况和发展他们的能力在空间领域。由于提到的事实,小卫星已经被许多太空任务专家视为一个至关重要的技术。
“小卫星的数量正在迅速增长,特别是在欧洲和北美。大学致力于卫星的数量的列表项目太长,和这里提到的是不可能的。但一些大学,尤其小卫星行业前进和工作还提到了非常好的项目。从美利坚合众国,重大贡献来自加州理工大学和斯坦福大学,密歇根大学,德克萨斯大学,空军学院,麻省理工学院,科罗拉多大学博尔德圣克拉拉大学、亚利桑那州立大学,和许多更多8,9]。来自欧洲,值得一提的贡献来自瑞典空间物理研究所的Aalborg大学,丹麦技术大学,挪威科技大学(巴克)维尔茨堡大学、亚琛应用科学大学代尔夫特理工大学,瑞士联邦理工学院(EPFL),布达佩斯大学技术和经济学,蒙彼利埃大学二世,华沙理工大学,Sapienza大学技术,维哥大学都灵理工大学,柏林技术大学,波兰科学院的空间研究中心,和很多其他的机构。在亚洲,主要贡献的大学有来自日本、中国、韩国、新加坡和印度(9]。
保持视图小卫星的意义,巴基斯坦国家空间和上层大气研究公司(SUPARCO)陷害了巴基斯坦国家学生卫星(PNSS)项目(10]。这个项目将涉及当地大学和工业合作SUPARCO发展和发射小卫星进入太空。在这个程序中,PNSS-1是第一个小卫星将部署到空间。大学是卫星的设计过程的一部分。这项工作的主要目的是设计和分析模块化EPS和ACS PNSS-1卫星有50厘米的大小350公斤质量和为期一年的使用寿命11]。
每股收益负责完成整个卫星的电力需求。本文提出了一种新颖的方法来设计和优雅的EPS子系统互连模块化小卫星(12]。提出了模块化设计技术,EPS分为小型模块设计和独立开发并连接在一起,实现预期的结果。EPS是太阳能电池板的主要子系统子系统,转换太阳能电池板功率的功率分布总线子系统(PDB)水平,和不受监管的PDB电压电平的转换成各种低电压水平所需卫星子系统的操作组件。每股收益也有一个子系统生成存储多余的电力到板载电池和提取他们的权力在卫星晚上和日食。不同的家务传感器嵌入到EPS子系统监控的正确操作,确保完整的卫星。执行上述所有任务,整个EPS被细分为三个模块称为太阳能电池板模块(SPM),功率调节模块(PCM),和配电模块(PDM)。这种模块化设计方法不仅可以节省成本,因为设计、开发和测试成本在这些模块之间共享,还节约时间,因为并行开发方法而不是古典系列(13- - - - - -16]。此外,模块化设计广泛的结果在整体成本降低,因为成本是许多模块之间共享,可以使用多次在其他任务。
每个模块提供了标准化的电力和数据接口。EPS系统的框图如图1。
SPM负责PNSS-1的发电。四个太阳能电池板连接的外周边卫星负责发电。一个太阳能电池板产生足够的电力来满足电力需求的完整的卫星。SPM输出功率不是常量,变量电压和电流水平取决于太阳能功率密度和环境因素。功率调节模块(PCM)将这个不稳定的SPM输出电压转换为稳定的PDB电压水平。PCM运行的太阳能电池板最大功率点(MPP)收获最大力量。为此,PCM有四个最大功率点跟踪,基于翻译(MPPT)的转换器。转换器连接四个太阳能电池板输入端的翻译和调节电池充放电MPPT计划在输出端。PCM的功能需求生成的PDB航天器在28 V±6 V从原始力量可以从四个body-mounted太阳能电池板。PCM的输入电压可能会有所不同从40 V到80 V。 The PCM is connected with the satellite onboard computer (OBC) through redundant CAN buses. It has an interface with all of the power sources (i.e., solar panels and battery) and outputs the PDB to the power distribution module (PDM). The PDM converts the PDB voltage level into lower specific voltage levels and distributes them to loads as per their requirements [17]。PDM也有EMI过滤以及不同保护每个配电线路上,以限制主要总线上的电磁噪声,防止故障传播。可切换的开/关开关的负载也在PDM实施。这些开关是通过遥控控制。特定模块的完整的设计讨论了各自的部分,本文详细。
的ACS PNSS-1负责姿态控制从它的名字是显而易见的。ACS负责定向卫星太阳能电池板收获最大的太阳能和卫星天线地面站天线。小卫星的姿态控制,三种类型的系统通常使用,即。、永磁、反应轮,磁力棒。所有三个系统有它们自己的优点和缺点。例如,永久磁铁是便宜的,但是它的重量和指向精度不符合小型卫星。反应轮子和磁力棒更精确,但高昂的价格,更大的重量,和大尺寸的小卫星是不可接受的。在本文中,一个创新的概念,给出了嵌入式magnetorquer线圈对小卫星的姿态控制。magnetorquer线圈包括四个subcoils嵌入培育出的四个内部层PCB的SPM模块。这种创新设计不仅可以减少成本和magnetorquer单元的大小,也导致几乎轻便系统。
本文根据下列顺序组织。部分1提供了EPS的介绍和部分2描述了SPM子系统的设计与分析。部分3论述了PCM的设计描述子系统根据广义约束和详细解释了广泛的设计和模拟输入MPPT-based巴克转换器。部分4描述了PDM的设计细节,而最后一节5,讨论的结果和结论。
2。太阳能电池板模块
选择正确的力量评级SPM的最重要方面光伏(PV)微卫星系统设计。不适当的字符串的大小会导致许多问题。选择一个小的字符串的大小会导致小效率。选择一个大的字符串大小将损害转换器和相关的设备(18]。太阳能电池可以连接在任何方式,即。串联或并联。系列连接增加了电压与电流保持不变,而并行连接增加当前字符串的电压保持不变。计算字符串大小、环境温度和字符串电压之间的关系必须考虑。环境温度对光伏阵列输出电压有不利影响。低温导致增加输出电压,同时高温减少字符串的电压。适当和准确的分析是至关重要的计算效率的力量评级SPM设计(19]。
选择了三结砷化镓太阳能电池的太阳能电池板PNSS-1设计。单个细胞的最大功率点电压( )2396 mV和短路电流密度( )17.67 mA /厘米20.42使电流。根据PNSS-1太阳能电池板设计要求,一个太阳能电池板应该生成至少50 W的最大输出电压80 V和最小电压不应少于40 V在正常阳光条件下的太阳入射角5°。这意味着多个字符串数组将被用于太阳能电池板的设计。太阳能电池阵列的效率总是小于单个细胞的总和,因为生产问题和环境因素,统称为退化的因素(20.]。太阳能电池板设计计算,必须考虑到退化的因素。了三结砷化镓太阳能电池所需的数据表中给出了这个设计1。
计算的最低电压限制的一个太阳能电池,最高温度限制,因为随着温度的增加超过标准的测试条件(STC),即,25°C,电压降低每度温度上升。让我们假设最高温度为85°C。最高温度和失学是60°C之间的区别这将减少单一细胞最低电压 −5.94×10在哪里−3开路电压的变化每度温度的变化 下表1。0.85应用递降系数后,单个细胞的合成最低电压1.732 V。
对电压上限计算,最低工作温度被认为是。让我们假设最低温度是−45°C。最低温度和优质的区别是−70°C会增加单一细胞最大电压 −5.589×10在哪里−3是每度MPP电压的变化改变温度 下表1。0.85应用递降系数后,合成最大电压2.63 V。
从上面给出的退化分析,我们可以找到所需的最小和最大数量的细胞达到上下电压限制。太阳能电池的最大数量限制是发现除以电压上限单细胞最大电压,即, ,而找到的最小所需的细胞数限制除以电压下限与单细胞的最低电压,即, 。
应用递降系数后,单个细胞输出电流为0.36 A。
根据设计要求,从太阳能电池板的平均输出功率不应小于50 W。功率分析表明,最低要求就是40 W和最大所需功率为60 W。单个细胞的平均输出功率为0.78 W。太阳能电池板尺寸470毫米×450毫米,和单个细胞的尺寸是39.8毫米×60.4毫米。这意味着可以容纳最多87块太阳能电池的太阳能电池板。扣除所需的地区太阳传感器,温度传感器,和旁路二极管,细胞的总数,可以适应在太阳能电池板是64。这些细胞分为两个字符串;每个人都有32个太阳能电池串联连接。单一细胞的平均电压为2.18 V和最大数量的太阳能电池是32,导致平均输出电压和电流的69 V, 0.72 a,分别。结果输出功率在应用所有退化因素是50 W。 A bypass diode is connected in parallel to each solar cell which ensures proper operation of the single cell if one of them is damaged. A protection diode is added at the end of each string of 32 solar cells to protect it from reverse current flow.
SPM的操作温度范围内,一个glass-protected NTC(负温度系数)热敏电阻安装在太阳能电池板为防止瞬变电压峰值。传感器的输出电压是线性与温度成正比。其电阻变化范围2.2 k到100 k,这是高度准确的1%的公差。
3所示。功率调节模块(PCM)
PCM负责将太阳能电池板的电压不稳定(40 ~ 80 V)到一个稳定的电压电平送到PDB (28±6 V)。它还负责电压调节,电池充电,健康监测不同的PCM子系统。MPPT-based巴克转换器设计和模拟操作在MPP太阳能电池板。翻译,实现最大功率点,MPPT巴克转换器翻译可以使用不同的设计MPPT算法。最常见的算法识别MPP恒定电压法(21),短路脉冲法(22),打开电压法(23),扰乱和观察方法24),和增量电导法(25]。翻译这七个MPPT算法研究和评估效率的基础上(26]。扰乱和观察方法显示出最好的结果和效率比别人更好27,28];因此,这对翻译PCM MPPT算法选择设计。电池充电和放电从PDB到一个电池充电系统。PCM控制器用于执行整个单元的电源管理和控制操作。它与OBC通信卫星使用冗余可以巴士。PCM套管尺寸和输入/输出功率/信号有标准化的连接器,导致一个完全模块化的系统,可以连接和分离作为一个独立单位其他卫星子系统。图2(一个)显示了个概念级PCM子系统的框图,图2 (b)显示了PCM的PCB维度。PCM的套管尺寸如图所示3。
(一)
(b)
3.1。PCM设计描述
翻译PCM包含四个模块和冗余MPPT单元和控制器。翻译每个MPPT单元有一个当地的单片机(MSP430的),翻译不同的子系统如MPPT开关转换器,电流、电压、温度传感器连接。这些控制器是cmos的COTS组件容易辐射。为了保护他们免受辐射损伤,PCM的封闭保护系统设计单位。翻译这四个MPPT控制器(MSP430)和控制器(PIC24HJ256GP10)可以通过SPI协议相互通信而可以单片机通信OBC的卫星通过嵌入式可以收发机系统有冗余的公交车。PCM的示意图如图4。
在PCM设计,扰乱,观察算法选择不断定位最大功率点,最大限度地获取太阳能电池板连接。P&O算法是通过不断计算光伏阵列的功率(电流和电压)和比较它与前面计算功率值。如果有差异和功率计算从当前周期大于前一周期,控制器将MPP在这个方向上通过增加责任周期;否则,如果功率一样,它是最大功率点27]。电流、电压和温度传感器确保适当的电压、电流和温度限制了太阳能电池板的输出和PDB水平。一组电压和电流传感器连接在太阳能电池板的输出(buck变换器的输入)在翻译这四个冗余MPPT单位,和第二组电流和电压传感器连接在巴克转换器的输出。采用双向电流传感器的输入电池监控电池充电和放电电流。翻译,封闭保护和看门狗定时器街区保护MPPT本地控制器的每个单元单事件封闭。翻译一个MPPT巴克转换器单元如图5。
3.2。封闭保护系统
MPPT本地控制器单元的PCM是cmos的COTS器件对辐射敏感(29日]。锁是一种瞬时效应的装置被短路的高电流流经设备从电源到地面破坏设备。封闭的问题可以通过使用双相设备,解决免疫的封闭,因为他们需要一个非常高的能量来触发这个事件。但cmos微控制器,需要封闭保护电路。为了避免这种情况,单片机供应应该断开连接的一个临时的基础上。封闭保护电路设计和单片机模拟切断供应期间封闭,以保护设备免受损害。封闭保护电路的模拟为PCM设计如图所示6,V1是单片机电源电压与单片机VCC销连接,通过MOSFET M2与M1切换。V3是来自单片机引脚的电压。在正常操作条件下,C1被指控通过R4供应V2和MOSFET M1,进一步使M2,电压供应 与单片机连接VCC销。图6 (b)显示的封闭保护电路的波形图6(一)。波形V (R3:2)显示了单片机电源电压,V (M1: g)代表了C1电容器的电压,和V (C1:1)表明单片机引脚电压。在波形,显示了正常运行状态从0到4女士和女士女士8到12。在封闭期间,单片机销,这反映在V3的模拟电路,将接地和电容C1会放电。由于C1放电,M1和M2将关闭和单片机VCC销将切断供应。关闭状态仿真波形所示的时间4到8女士女士和女士12到16。从状态时间由RC时间常数决定的C1和R4组件模拟电路。目前,我们选择了4个女士从仿真波形图6 (b)。实现的封闭保护电路如图5。
(一)
(b)
3.3。数据接口
PCM的双重冗余接口可以与OBC所有遥测和遥控使用DB9连接器。它提供了足够的遥测(接口)为了监视自己的健康以及所有的太阳能电池板和蓄电池的健康。的PCM遥测至少包括以下:(1)主总线电压(2)主总线电流(3)电池充电和放电电流(4)电池温度(5)每个太阳能电池板的输出电流(6)每个太阳能电池板的电压(7)每个太阳能电池板的温度
PCM收集模拟从每个太阳能板和电池温度遥测技术,它提供了这些遥测(以及其他所有遥测)OBC的接口。
3.4。电源接口
PCM接收2:1冗余输入电线分开四个独立的太阳能电池板通过DB9连接器,并提供2:1冗余输出线电池充电以及PDM在总线电压水平使用DB9连接器。差距之间的至少一个未使用的针保持积极的电线和回报所有电源接口连接器(输入和输出)。为了确保模块化,所有输出连接器是女性类型和输入连接器是男性类型。
3.5。翻译模拟MPPT巴克转换器
太阳能电池板的输出范围是40 V ~ 80 V如前所述。覆盖这宽范围输入电压到一个稳定的输出电压,翻译一个MPPT巴克转换器设计与广泛的输入。首先,设计考虑选择适当的过滤器组件的值,即:,电感、电容和电阻的一种有效的翻译和健壮的MPPT巴克转换器。选择的值根据设计考虑分配给所有设备如图7。标准方程(1)和(2)用于电感器( )和电容( )值选择(30.),分别。
LTspice仿真原理的buck变换器驱动电路如图7。翻译这四个MPPT巴克转换器安装在两个多氯联苯,即。,每一个电路板有两个巴克转换器单元。为了避免同步问题,10 kHz频率之间的差距是所有四个转换器。翻译1日MPPT的设计频率转换器单元180 kHz, 2日,3日,和第四转换器190 kHz, 200 kHz,分别和210 kHz切换频率。选择所有组件功率损耗的基础上分析和小尺寸。
两个脉冲V2和V4图7代表来自单片机的PWM信号增加或减少工作周期根据扰乱和观察算法。转换器模拟输入电压范围宽,即。,80 V, 70 V, 61 V, 50 V, and 41 V, and the respective output voltage is measured which is the PDB voltage level (28 ± 6 V). The output current, input and output powers, and resultant efficiency are measured for the four designed buck converter units. The simulations of the MPPT buck converter are given in Figures8- - - - - -17和仿真结果总结在表2。
仿真结果见表2翻译清楚地表明设计MPPT巴克转换器输入范围宽,具有效率高(95.30%到96.75%)。
4所示。配电模块(PDM)
PDM是电力系统的子模块(EPS),负责PDB电压电平转换成电压水平较低和分配负载。EMI过滤是通过PDM。有一些安装在每个配电线路保护系统。这些保护系统的主要目的是限制电磁噪声产生的主要总线并克服错误传播。在PDM,实现开/关开关的所有可切换的负载。遥控的帮助下,这些OBC的开关控制。克服失败,提高可靠性,各级提供冗余。没有一个电子元件故障的PDU禁用或降低其所需功能的方式可能会导致任务失败。
配电装置接收主要从PCM在总线电压28 V±6 V(监管)和监管产生二次电压水平12 V和5 V。电流、电压和温度传感器安装在PDM单元模块的监控,确保正确操作。这些传感器的作用是检查电流、电压和温度的限制。PDM控制器进一步与OBC的微卫星通信通过冗余可以巴士。PDM的框图如图18,设计示意图如图19。
(一)
(b)
4.1。电力监管机构
电力监管机构PDB电压电平转换为低电压(即水平。5 V、12 V)由不同的子系统组件使用。为此,PDM部门监管机构需要两个开关。满足的力量和冗余要求监管12 V输出,PDM有两个冗余12 V与零件号MGDD-20-R-E监管机构。5 V,四个监管机构零件号MGDB-35-H-C并行连接,以满足电力和冗余需求。
4.2。电源接口
PDM接收通过PCM的PDB不受监管的权力,根据需求调节。对于冗余,PDM接收2:1电线从PCM 28 V±6 V。PDM共有40行输出不同的电压和电流的水平。这些线是可切换的,一些是nonswitchable如表所示3。
PDM的所有输出配电线路保护与短路电流和暂态电压峰值。一个保护的概念在PDM中实现避免故障和故障传播之间的负载。PDM子系统相连,相通的PDM控制器(PIC24HJ256GP10)监测和控制的目的。
4.3。数据接口
PDM具有双重冗余可以接口OBC的所有遥测和遥控。的帮助下可以接口,OBC从PDM接收某些遥测为了检查所有线路可切换的分布以及监控的健康初级和次级电压。为了控制开/关操作可切换的线路,PDM的功能是接收通过接口可以遥控。标准d型连接器用于公交车。
5。姿态控制系统(ACS)
小卫星由于尺寸和重量的限制,设计师们专注于小型化等子系统的力量,决心和态度控制、电信、和负载。在PNSS-1姿态控制子系统设计中,主要的目的是实现一个系统用小尺寸和重量。姿态控制是永久磁铁的可用选项,反应轮子,和磁力棒31日,32]。永久磁铁更便宜、更简单的和轻量级的,但是他们指向精度不足。其他选项是磁力棒和反应轮子有更好的指向精度,但问题是他们的价格,重量和大小,使其不适合小型卫星。实现小型化的目标与PNSS-1兼容系统,介绍了嵌入式magnetorquer一个创新的概念。magnetorquer线圈是铜嵌入痕迹的内部层太阳能板PCB。太阳能板PCB是培育出PCB铜痕迹在五个内部层。这些铜痕迹就像magnetorquer杆产生磁场,当电流流经它。
5.1。PNSS-1嵌入式Magnetorquer线圈
magnetorquer线圈适用于电机动作概念,当载流线圈放置在一个磁场,线圈施加扭矩。载流线圈产生磁矩与已经存在的磁场相互作用,产生转矩。根据弗莱明左手定则,中指给磁矩的方向,食指显示现有的磁场的方向,和拇指方向施加扭矩。让我们假设载流线圈如图20.磁矩( )生成的页面并给出了 在哪里线圈的匝数,线圈的面积,是电流通过线圈。
如果磁场( )论文的方向是向右,然后产生的扭矩对纸的底部,可以发现的 在哪里转矩的方向是什么和之间的角和 。
地球是一个巨大的磁铁,在地球低轨道(LEO),从400公里到2000公里高度,地球磁场变化之间0.15高斯和0.45高斯(33]。四个太阳能电池板模块与嵌入式magnetorquer线圈安装在四个外部面临的PNSS-1卫星如图21。当电流通过线圈时,会生成一个磁矩与地球磁场和转矩对卫星的方向旋转。
线圈是嵌入在太阳能电池板的五个内部层PCB,即。,2nd3理查德·道金斯4th,5th、6th层。这五个线圈被视为单个线圈,通过交换机连接。通过改变这些开关的安排,五个线圈可以附加/分离等不同的配置一个线圈,5系列,和五个线圈并联。根据卫星扭矩要求,magnetorquer线圈应该能够生成一个特定的磁场。PNSS-1来生成所需的磁矩,magnetorquer线圈组成的铜痕迹60把每层,总共有300是嵌入在五个内部层。每个线圈跟踪有1.8毫米宽度和18μ米厚度。空间之间的两个相邻的痕迹是0.2毫米。
目前,磁矩,功率耗散对电压图绘制22,四线圈串联和并联连接。在一个特定的电压,可以观察和比较其他参数。
6。结论
本文提出了一种模块化设计的EPS和ACS微卫星。完整的EPS分为三个子模块,即。SPM, PCM, PDM。每一个模块都有数据和电源接口的标准化与特定的输入/输出的行数,满足微卫星子系统的功率和数据要求。COTS组件用于子系统的实现。COTS组件的基础上选择体积小,最低重量和低功耗。为了避免单一组件失败,增加可靠性,某些子系统和组件进行冗余设计。操作太阳能电池板MPP和最大限度地获取它们,广泛高效MPPT-based buck变换器的设计和分析。翻译每个太阳能板都有一个单独的MPPT单元和一个10 kHz频率差距,以避免它们之间的同步。从辐射保护cmos的控制器,一个封闭保护系统设计和模拟。不同的传感器,如电流、温度和电压在各自的模块安装在不同位置监控,确保这些单位的正确操作。 For miniaturization purposes, an embedded magnetorquer is designed for the microsatellite which consumes reasonable power and generates the required magnetic moment. In the end, an EPS for the microsatellite is achieved which is fully modular, compact, redundant, and power efficient.
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣布没有利益冲突有关的出版这篇文章。